超高层屋面钢结构斜塔冠安装施工技术

1.工程概况

1.1 工程总体概况

该项目为超高层科研办公楼，总建筑面积 37.22 万㎡，其中地上建筑面积 28.51 万㎡，地下建筑面积 8.71万㎡。由 2 幢超高层科研办公楼、裙房、室外连廊、三层地下室组成。其中 2 幢塔楼为 62 层超高层科研办公楼，建筑高度 268.35m，结构体系为核心筒-钢框架结构，钢结构用钢量 3.2 万吨，其中单栋塔冠钢结构工程量约 1000吨。

1.2 钢结构概况

1.2.1 钢框架结构

塔楼屋面南北两侧为钢框架结构，主要包括钢柱、钢梁、斜支撑。

钢柱截面形式分为箱型柱、组合十字柱，箱型柱截面规格为□1200x600x20x20，组合十字柱规格为+1400x400x20x20-600x400x20x20、+1100x400x20x20-600x400x20x20；箱型钢梁最大截面形式□800x350x20x20，H 型钢梁最大截面形式为 1000x400x20x30；斜支撑截面形式为 H600x500x28x35，材质均为 Q355B。

1.2.2 斜屋面结构

塔冠西侧为大坡度斜屋面钢结构，坡度为 30°，主要由钢桁架、H 型钢梁、圆管梁组成，材质均为 Q355B。结构三维图，见下图所示。

图 1：塔冠钢结构三维图

主桁架跨度为 28m，高度 3.1m，宽度 0.45m，总重约 25T，其上弦杆为 H 型截面，下弦杆为箱型截面，主要截面规格分别为 H450x350x22x25、H450x350x12x25，□600x450x40x40、□500x400x20x20，腹杆主要截面规格为 H300x250x14x18、H250x200x12x16、200x8。

图 2：主桁架 3D 模型图

2.施工重难点分析

塔冠体量大、构件形式多样、斜屋面坡度大、安装高度高，需综合考虑场地布置、构件分段、施工组织等，构件必须按照方案及现场需求配套发运，确保现场顺利吊装。

屋面安装大部分为高空作业，最大安装高度达 268.35m，风荷载极大，吊装和焊接难度大，需充分考虑安全技术措施，确保工程安全顺利安装。

现场焊缝焊接质量等级均为一级焊缝，焊接质量要求高。

主桁架跨度大，构件自重大，吊装高度高，采用分段吊装+高空拼装方法施工，并使用胎架辅助安装，安装精度及焊接质量要求高，安装难度较大。

3.施工总体部署

本工程工期紧，为确保工期，将塔冠分为三个区域，A、B 区同时开始安装，然后安装 C 区斜屋面；不同域柱梁吊装、焊接等工序错开，便于现场流水作业，缩短工期，节约成本。

综合考虑现场塔吊起重性能、运输要求等，确定塔冠构件分段，尽量减少现场高空拼装、焊接量。1．西侧 28m 跨度主桁架分三段加工运至现场，在桁架分段点处各设置一组支撑胎架，高空拼装再焊接成整

图 3：吊装分区示意图

4.塔冠钢结构主要安装方法

4.1 外框架安装

外框架安装流程：钢柱安装→钢梁安装→斜支撑安装→吊挂层柱梁安装

4.1.1 箱型柱安装

箱型柱底标高 245.530m、顶标高随屋面坡度，柱高 15.07～20.47m，分 2～3 段吊装，分段截面位于钢梁层以上标高 1.200 处。

1.箱型柱为钢-混凝与组合结构（柱内灌注混凝土），混凝土浇筑时，需预留直径∅300 灌浆孔、排气孔∅25，确保浇筑混凝土的密实性。

图 4： 箱型柱内隔板节点图

2.第 1 段钢柱施工前，应做好柱脚预埋螺栓精准定位、标高控制，柱顶端面铣平，第 2 段钢柱柱底四周开设单 V 坡口，吊装校正后，采用安装螺栓将上下柱临时固定，采用分段退焊、对称施焊方法全熔透焊接，柱顶采用∅16 尼龙缆风绳进行四定位，防止倾覆。

3.因塔冠为镂空钢结构，上下柱焊接前应安装安全操作平台，便于钢柱安装焊接和混凝土浇筑作业，安全操作平台角钢与钢柱须焊接牢固。

图 5： 安全操作平台效果图

4.1.2 吊挂层柱梁安装

256.620m 夹层主要由吊柱和钢梁组成，吊柱与机房顶层主梁采用螺栓连接，吊装与夹层主梁栓焊连接，主次梁交接连接。

因夹层构件安装高度高，为减少搭设脚手架等措施，采用将吊柱在地面与主梁螺栓连接，拼装完成后再整体吊装，采用此方法提高了施工效率，降低了成本。

图 6：吊柱与钢梁地面拼装 3d 模型和现场照片

4.1.3 屋顶斜支撑安装

斜撑位于机房 03～机房顶层之间，分别与核心筒钢柱和外框钢柱牛腿栓焊连接，距楼面高度约 13m。

1.钢牛腿在工厂预制时与钢柱焊接成整体，减少现场高空焊接作业，使用塔吊分别将上下弦杆吊装焊

2.将斜腹杆分 3 个杆件加工运至现场，先吊装杆件 1，使用玛板和安装螺栓与牛腿临时固定，再安装杆件 2和杆件 3，吊装杆件 2 需注意控制腹杆角度，在杆件 1 连接处做好安装标记，临时固定后，安装杆件 3，使用红外线水平仪测量直线图，使杆件 3 和杆件 2 斜度一致；调整校正后，按照吊装顺序依次焊接。

3.因斜撑安装高度较高，吊装和焊接均在高空进行，杆件上需安装配套爬梯、生命立桩和生命绳，以保证作业人员施工安全。

图 7：屋顶斜撑 3d 模型和现场照片

4.3 斜屋面钢结构安装

斜屋面安装流程：胎架安装→主桁架安装→斜主梁安装→次桁架安装→次钢梁安装

4.3.1 胎架安

1.胎架设计

采用热轧 H 型钢 200*200*8*12 和等边角钢 L63*5 焊接成格构支撑，材质均为 Q235B，胎架高度 17.15m ，胎架顶标高和桁架下弦底标高预留 100mm 间隙，便于安装时调节桁架标高。

图8：胎架立面图和俯视图

2.安装流程：胎架埋件预埋→胎架地面拼装→整体吊装就位→柱脚焊接→斜撑安装焊接→验收胎架埋件安装

图 9：胎架现场安装照片

3.胎架安装技术要求

1）胎架现场组装，对接焊缝及节点焊缝质量要求同主体，均为一级焊缝，胎架组装完成后焊缝应经探伤合格；

2）因胎架支承于楼板上，楼板厚度较薄， 胎架处楼板承载力须经设计复核3）胎架埋件在机房 01 层楼板浇筑前预埋，使用全站仪按照埋件布置图进行精准定位，每个胎架立柱和斜撑底部均设置一块埋件；

4）胎架吊装前，应在胎架上挂设登高爬梯以及防坠器，便于胎架安装和摘

5）胎架吊装就位后，应采用全站仪精确测量胎架位置和垂直度以及标高，复核校正无误后，将胎架立柱与埋板满焊；

6）考虑塔冠安装高度高，风荷载较大，在胎架三面安装槽钢斜支撑，以增加胎架稳定性；支撑上端与胎架立柱采用焊接方式连接，下端与预埋板焊接牢固，斜撑与地面角度不大于 60°；

图 10：胎架立面图 图 11：斜撑与胎架连接节点图

胎架卸载

1）胎架卸载前，在桁架上选取五个点（包含分段点），使用全站仪测量桁架标高，并做好标记，胎架卸载完成后，测量桁架标高变化。2）胎架卸载时要求 2 组胎架同时卸载，采用火焰割除桁架底部工字钢及调节垫块，直至支撑胎架与桁架完全脱离。

3）胎架卸载完成后，为方便吊装，将胎架拆成两段后使用塔吊运至地面。

4.3.2 桁架安装

桁架拼装之前，复测土建提供的基准控制点，并以此为依据，做出钢结构安装的控制点，并根据控制点进行所有轴线的放线和测量。

1.桁架分段

主桁架跨度约 28m，高度 3.1m，宽度 0.45m，总重约 25T，根据现场塔吊起重能力及运输条件，将主桁架分为三段，HJ-a、HJ-b、HJ-c；中间段两根腹杆散发，分段后单根构件最大重量约 8.3T，构件最长约 10.6m。

图 12：桁架分段图

2.安装步骤

1）本工程桁架采用分段吊装+高空拼装，拼装主要在胎架上进行，桁架安装前，应完成胎架安装；

2）吊装前，应检查吊耳是否焊接牢固，生命立桩、生命绳等安全防护措施是否齐全、牢固；

3）在胎架上划出十字线与桁架中心线重合，采用 10 号工字钢焊接在胎架十字线处；

图 13：胎架顶部与桁架底连接现场照片

4）吊装桁架 A 段，与柱连接一端采用玛板临时点焊固定，另一端放置在胎架工字钢上并采用角钢与胎架拉结固定，调整桁架上下弦垂直度和平整度，再进行桁架与柱牛腿焊接，待底焊完成后方可脱钩；同样方法安装桁架 C 段；

5）吊装桁架中间段 B，吊装就位后测量桁架上下弦杆中心线及平整度，将玛板点焊固定后，分别完成上下弦杆定位焊后脱钩，完成桁架焊接；

6）桁架安装焊接完成后，补齐桁架腹杆；

图 14：桁架现场安装照片

3.安装技术要求

1）桁架在工厂预制时，应进行起拱，设计无要求时按照 1/1000 起拱，并且制作完成后应进行预拼装，保证安装精度符合要求；

2）为方便安装，吊装前应在桁架上安装生命立桩和生命绳等防护措施以及牵引绳；

3）桁架吊装前，应在桁架上下杆上焊接临时固定用玛板，便于桁架拼装定位固定；

图 15：桁架吊装前安装临时固定玛板和防护措施现场照片

4.拼装焊接变形控制

桁架拼装时存在大量的焊接工作，若焊接操作控制不当容易造成较大焊接拼装变形；焊接组装时应先进行点焊，全部组装好点焊固定后，经检查合格后再正式焊接。

正式焊接时从桁架的中间向两边进行焊接，并采用双数的焊工对称焊接，桁架的断开采用码板连接两个桁架，有效保证了桁架焊接变形。

5.桁架拼装测量

1）直线度和标高控制：在桁架与柱连接的牛腿上划出十字线，吊装时调整桁架上下弦杆中心线与牛腿十字线重合，使用全站仪校正桁架另一端；以桁架下弦节点作为标高控制点，使用垫块调节桁架标高，利用全站仪复核桁架标高是否达到设计标高。

2）下挠变形观测：通过对桁架脱离胎架前后若干节点标高变化的观测，测定桁架下挠变形情况，具体观测点如图 16 所示。

图 16： 竖向位移变形监测点

4.3.3 斜钢梁安装

斜钢梁采用塔吊提升、人工就位方法进行安装，为方便钢梁定位安装，在埋板上焊接玛板，玛板标高略于钢梁底标高，钢梁一端放置玛板上，一端与桁架连接板螺栓固定，校正角度无误后，将钢梁分别与埋板和架端焊接。

为保证作业人员施工安全，斜钢梁安装前应安装生命立桩、生命绳等安全防护措施

图 17：斜屋面钢结构现场安装照片

结束语：

塔楼屋面钢结构吊装构件共计 件，共约 1000 吨，计划工期为 40 天，实际工期为 30 天，通过采用空中散拼吊装施工技术，并在安装过程中加强对安装精度的整体控制从而确保了塔冠钢结构施工能够安全、快速地完成安装焊接工作。参考文献：

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