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工程概况
华侨城总部大厦位于深圳市华侨城中部，汉唐大厦西侧，沃尔玛南侧，深南大道以北，兴隆西街以东地块西北侧。该工程为300 m 高的商业办公塔楼，塔楼下为6 ～ 20 m 高的商业裙房，裙房基本覆盖地块，位置偏北。其中办公塔楼为59 层，商业裙楼为1 ～ 4 层。本工程塔楼为带斜撑巨柱框架核心筒结构抗侧力体系，上部楼面体系为钢梁( 或钢桁架)支承的组合楼板体系。
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钢桁架结构整体概况
本工程塔楼外框布置了3 道腰桁架，分别位于16 ～ 17 层、29 ～ 31 层、43 ～ 44 层，其中第1 道桁架和第3 道桁架层高为1 层( 5. 10 m) ，第2 道桁架层高为2 层( 9. 6 m) 。本文以第2 道桁架为例进行施工方案的介绍。
桁架主要包括上、下弦杆和斜腹杆，垂直腹杆为周边框架钢柱。
第2 道桁架层的上弦截面主要有: □1 000 ×550 × 100 × 20、□1 000 ×490 × 70 ×20、□900 ×420 × 35 ×20 等3 种; 下弦截面主要有: □1 000 ×490 ×70 ×20、□900 ×420 ×35 ×20、□1 000 ×450 ×50 ×20、□900 ×430 ×40 ×20 等4 种; 斜腹杆截面主要有: □700 ×410 ×30 ×20、□1 300 ×550 ×100 ×20、□1 000 ×550 x100 ×20、□700 ×450 ×50 ×20 等4 种。桁架用钢量约2 013 t。第2 道桁架层示意见图1。
图1 第2 道桁架层示意
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钢桁架加工的难点及重点
本工程桁架为全钢结构，桁架层通过与巨柱、巨柱斜撑连接形成整体，巨柱结构、巨柱斜撑为塔楼主要受力结构，使得钢结构构件断面尺寸大、与桁架相连的巨柱、桁架及预埋钢柱节点构造复杂，这给钢结构制作及安装带来了极大的困难，特别是各重要节点处理难度相当大。本工程在焊接方面主要存在以下几项难点:
1) 构件钢板厚度大，强度等级高。钢桁架构件使用的钢板厚度基本以80，100，120 mm 为主体。钢材等级以Q420GJC、Q460GJC 为主体，局部为Q390GJC 钢材。
2) 结构复杂，焊接残余应力大，变形也大。本工程使用钢材均为厚板、超厚板，焊接时填充焊材熔敷金属量大，焊接时间长，热输入总量高，因此结构焊后应力和变形大; 构件施焊时焊缝拘束度高、焊接残余应力大; 加之本工程结构复杂，各单体结构均属“复合型”构件，焊接应力方向不一致，纵、横、上、下立体交叉，互相影响极易造成构件综合性变形。焊缝裂纹发生的可能性大，在焊接施焊过程中，稍有不慎易产生热裂纹与冷裂纹。
3) 层状撕裂倾向性大。焊接理论与焊接实践均证实，层状撕裂缺陷最易产生在钢板厚度方向的“十字角接和T 形角接”接头上。此类接头在本工程中应用较多，加之其他因素影响，该层状撕裂倾向性将增大。
针对本工程在焊接方面的特点，编制本工程“钢结构制作技术方案”的指导思想，在施工过程中从每一个细微处着手，采取措施，确保每一个构件的质量，进而保证整体工程的质量。
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钢桁架构件的安装
第2 道桁架层位于外框结构29 ～ 31 层位置，桁架层标高范围132. 250 ～ 141. 850 m。环桁架共4道，每道环状桁架分为: 1) 桁架下弦杆; 2) 桁架上弦杆; 3) 桁架竖腹杆和斜腹杆。每道环桁架北( 南) 前面长约73. 6 m，北( 南) 后面长约31 m，高9. 6 m，宽0. 49 m。钢结构主要包括3 层环桁架和楼层钢梁，环桁架最大截面高度为1 600 mm，最大板厚为120 mm。最大节点为巨柱C 与桁架连接节点。29 ～ 31 桁架层结构见图2。
图2 29 ～ 31 层桁架层结构示意 m
根据本桁架的结构特点和连接形式，综合比较后，确定环桁架采用高空原位拼装的方法。
4. 1 整体安装流程
桁架安装顺序依照“先大型节点安装，后大型节点固定杆件安装”及“先桁架安装，后楼面钢梁安装”的原则进行，安装流程如图3 所示。
图3 桁架安装操作流程
4. 2 环桁架安装方法
环桁架采用高空原位拼装的方法，具体安装步骤示意如图4 所示。
a—第1 步: 29 层以下结构安装完成，安装桁架层巨柱; b—第2 步: 分段安装桁架下弦杆; c—第3 步: 安装29 层辐射梁; d—第4 步: 安装
桁架竖腹杆; e—第5 步: 安装桁架上弦杆; f—第6 步: 安装桁架斜腹杆; g—第7 步: 安装30 层外框梁; h—第8 步: 安装30 层辐射梁;
i—第9 步: 安装桁架层斜撑; j—第10 步: 安装31 层钢梁。
图4 29 ～ 31 层环桁架吊装工况分析
4. 3 吊装工况分析
4. 3. 1 吊装设备
环桁架用主楼3 台动臂式塔吊进行吊装，分别是: 法福克M1280D、M900D 和M760DX。
4. 3. 2 吊装工况分析
29 ～ 31 层环桁架质量最大构件为2 － 3HJ － 12( 41． 06 t ) 。质量较大构件有: 2 － 1HJ － 8( 35. 97 t) ，2 － 3HJ － 8 ( 35. 97 t ) ，2 － 4HJ － 19( 38. 74 t) ，2 － 2HJ － 19 ( 38. 55 t) ，2 － 4HJ － 16( 35. 84 t) ，2 － 2HJ － 21 ( 32. 07 t) 。以上构件均用M1280D 塔吊在南侧道路起吊，均满足吊装要求。其余构件质量较小，均在M900D 及M760D 塔吊30 m 吊装范围内，满足吊装要求。
4. 4 安装计算分析
4. 4. 1 计算目的
29 ～ 31 层环桁架的安装过程进行全过程施工模拟计算分析，主要基于以下几点:
1) 考察安装过程各阶段结构的安全性;
2) 通过计算分析，比较分步安装和一次就位对钢结构本身的影响，以此确定施工方案;
3) 评估安装完后的结构与原设计的差异。
4. 4. 3 施工荷载及变形计算
拟采用MIDAS /Gen 进行施工阶段模拟分析，计算模型为一整体模型，按照施工步骤将结构构件、支座约束、荷载工况划分为组，按照施工步骤、工期进度进行施工阶段定义，程序按照控制数据进行分析。在分析某一施工步骤时，程序将会冻结该施工步骤后期的所有构件及后期需要加载的荷载工况，仅允许该步骤之前完成的构件参与运算，例如第1步骤的计算模型，程序冻结了该步骤之后的所有构件，仅显示第1 步骤完成的构件，参与运算的也只有完成安装的构件，计算完成显示计算结果时，同样按照每一步骤完成情况进行显示。计算过程采用考虑时间依从效果( 累加模型) 的方式进行分析，得到每一阶段完成状态下的结构内力和变形，在下一阶段程序会根据新的变形对模型进行调整，从而可以真实地模拟施工的动态过程。按照桁架特点选取最为复杂的南前面桁架进行计算。环桁架有限元计算模型和支座约束如图5、图6 所示。
图5 环桁架有限元计算模型
计算模型完全按照结构图建立，所有构件的截面、材质与结构图一致。
图6 环桁架支座约束
4． 4． 4 南前面桁架安装模拟
根据施工总进度计划及主体结构施工方案，将南前面环桁架的施工过程划分为10 个阶段来进行施工模拟分析，详细的施工阶段划分如表1 所示。
表1 施工阶段划分
1) 南前面桁架变形和安全性评估。每一施工阶段的分析结果将以图解形式详细描述，其中包括最大位移值以及构件的最不利应力。其他依次类推进行计算分析，一直进行到第10 阶段。其中，第1阶段29 层以及以下构件安装完成z 方向最大位移为1. 52 mm，最大应力为11．86 MPa; 第10 阶段31 层辐射钢梁安装完成后z 方向最大位移为1． 54 mm; 最大应力为13． 12 MPa。
a—位移云图，mm; b—应力云图，MPa。
图7 第1 阶段29 层及以下构件安装完成模拟分析
a—位移云图，mm; b—应力云图，MPa。
图8 第10 阶段31 层辐射钢梁安装完成模拟分析
2) 南前面桁架一步安装就位模拟计算。当一步就位时，带状桁架的的应力和变形如图9 所示。其中，一步安装就位移z 方向最大位移为1． 53 mm，最大应力为11． 84 MPa。
3) 南前面上、下弦变形分析及结论。根据施工模拟计算结果提取上、下弦构件在整个模拟过程的位移变形值，桁架弦杆z 向变形小于1 mm。应力也始终保持在合理的水平，最大应力为13. 12 MPa 远小于材料的屈服强度。
根据模拟分析结果，比较分步安装与一步安装到位的不同，可以发现从竖向位移来看，最大位移值仅为1.53 mm，发生位置为28层钢梁z向位移。可见，桁架层的安装顺序合理可行。
a—位移云图，mm; b—应力云图，MPa。
图9 一步安装就位模拟分析
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结束语
钢桁架制作工艺方案和安装方案已应用于华侨城大厦钢结构桁架的施工，通过钢桁架构件大批量生产以及现场顺利安装，证明了本加工工艺和安装方案的科学性、合理性、实用性，可对今后类似工程的制作和安装提供参考。
参考文献
［1］ 中华人民共和国建设部． 钢结构工程施工质量验收规范: GB50205—2001［S］． 北京: 中国标准出版社，2001．
［2］ 中华人民共和国建设部． 建筑钢结构焊接技术规程: JGJ 81—2002［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2002．
［3］ 中国钢结构协会． 建筑钢结构施工手册［M］． 北京: 中国计划出版社，2002．
来源：张伟伟，朱质轩. 华侨城大厦钢桁架加工制作及安装技术研究与应用[J]. 钢结构, 2018, 33(10): 104-107.
