[摘要] 针对CCTV 主楼钢结构的双向倾斜和三角形单元结构受力的特征,以及巨大的施工难度,特别是超大悬臂结构的超高空大跨度悬挑施工,施工单位研制了特大型塔吊在纯钢结构中的爬升施工技术、大型临时栈桥解决吊装受限的施工技术、预应力锚栓张拉技术、超大悬臂钢结构超高空安装技术等一系列先进的施工工艺和技术。[关键词] 钢结构;悬臂钢结构;施工技术;安装;爬升;栈桥

0 　工程概况

中央电视台新台址建设工程CCTV 主楼建筑高度234m,地下3 层,地上52 层,总建筑面积47 万m2 。钢结构占地面积为1.5 万m2 ,用钢量达12.5 万t ,钢构件数量为4.2 万多件,在安装过程中将使用高强螺栓95 万套,压型钢板29.6 万m2 ,栓钉148 万套。CCTV 主楼由2座整体向内双向倾斜的塔楼通过底部裙楼和顶部的L形悬臂连成一体,构成一个折角门式建筑,塔楼从底部到顶部倾斜距离达36.955m。主楼外形如图1 所示。塔楼和裙楼由外框筒、内框筒、核心筒钢结构三部分组成。外框筒由双向倾斜6°的重型钢柱、边梁和支撑形成以蝶形节点为主的三角形网状结构体系,内框筒和核心筒为钢框架体系。悬臂结构从2 座塔楼162.20m 标高位置处分别外挑67.165m和75.165m,在空中合拢为L 形空间结构体系。悬臂总重量为1.4 万t ,共有14 层,平均高56m,宽39.1m。CCTV 主楼钢结构主要构件为重型钢柱、钢梁、斜撑和巨型转换桁架,钢柱最重达80t ,有单箱形、日字形、目字形、西字形等多种截面形式,钢梁和斜撑以H形和箱形截面为主。

钢柱主要节点与截面形式如图2 、3 所示。

1 　主要施工特点 

CCTV 主楼钢结构建造规模宏大,构件重、节点构造复杂,对构件吊装、测量定位、变形控制以及施工管理的要求非常高,需要有与之相匹配的特大型垂直运输设备、较高的施工平面管理水平以及先进的建造施工技术和施工措施。本工程因塔楼的双向倾斜设计和超大悬臂结构影响,在建造过程中主体结构的三维空间位形将受自重、日照、温差、风载摆动、基础沉降等因素影响而不断发生动态变化,为使结构完成后达到设计位形和尺寸要求,施工中需采取预调值反变形措施加以控制。为满足建筑美观、结构承力和使用功能要求,悬臂结构的体形庞大、外挑距离长、超重,在安装中构件容易失稳,因此只有形成整体受力后,方能确保结构的整体稳定性和安全性。而且设计要求主体钢结构、楼面混凝土、幕墙、内装饰和机电设备等施工完成,即将加入使用活荷载情况下,悬臂底部需呈水平,其施工过程将面临严峻的建筑力学考验,施工具有很大的难度和风险。为使2 座塔楼的悬臂能在空中顺利实现转角合拢,确保结构安全,需要采取特殊的施工措施,运用先进的测量技术和施工方法克服因结构预调值处理、构件截面多样化以及结构位形动态变化而增加的测量控制难度,实现结构高精度合拢。本工程使用的钢材材质有Q235 、Q345 、Q390 、Q420 、S460 等系列,现场焊接70 %为高强厚板焊接,焊接母材强度高、焊接量大、焊缝长、焊接收缩变形大、焊接质量要求高,如何控制焊接变形和应力消除,将直接影响结构安装成型,特别是重型钢柱的空间位置。

2 　施工技术准备

2.1 结构施工计算和误差调整分析   随着钢结构工程逐渐大型化,其施工技术要求越来越高,结构施工计算分析和施工误差调整分析越来越重要,它是进行这类工程施工最关键的技术措施之一,首先要保证结构施工计算的正确性,其次确保施工误差调整的可控性。同样,CCTV 主楼钢结构各项施工方案在实施前就运用SAP、ANSYS、CAD 等技术进行了大量的结构施工虚拟仿真计算分析,以论证、比较、判定施工方案的先进性和可操作性,同时确定了为控制、调整钢构件的位置和标高安装误差而采取的施工措施,并且力求这些措施简单方便、误差调整快捷易行。

2.2 制定专项施工质量验收标准   本工程大量使用Q390D、Q3420D 和S460 高强钢材、主要构件都是由厚板焊接而成、截面形状多样、多杆件汇交节点十分复杂。在施工中对构件外形尺寸、组装对位、空间三维坐标值如何控制才能达到要求,允许偏差控制在什么范围才能保证整个结构的倾斜度和结构合拢精度要求,这就要有相应的技术质量标准来指导和控制,而现行的钢结构施工规范对于这种特大型复杂高层重钢结构有一定局限性,不能完全满足施工需要,因此我们通过多方论证,在国家现行钢结构施工质量验收规范基础上,制定了《中央电视台新台址钢结构安装工程施工质量验收标准》,作为钢结构安装的质量控制依据,以确保安装精度符合设计和使用功能要求。

2.3 构件分段与辅助连接耳板及吊点布置   按照尽量降低对吊装设备的起重性能要求、减少吊装次数、满足结构受力和加工运输要求的原则,外框筒钢柱按2 层分1 节,核心筒和内筒钢柱按3 层分1 节。分段后的构件大部分为大型超重构件,为方便吊装就位、校正和临时固定,确保安装顺利和安装精度,需采取大量的施工技术措施,以降低施工操作难度。因此用于临时连接、吊装吊点、倾斜角度调节等临时连接耳板的布置就成为整个钢结构安装最重要的一个环节,经计算,设置的临时连接耳板就有1150t 。这些临时连接耳板需要根据钢构件倾斜角度和构件重量,事先在构件上设置,并在深化设计图中同构件一起体现,在工厂制作中将其焊接在构件上规定位置。

2.4 　选择吊装设备   根据CCTV 主楼钢结构单重在10～80t 的构件较多、吊装就位距离远的实际情况,通过吊装工况计算分析,每座塔楼各选择了1 台M1280D 动臂塔吊和1 台M600D 动臂塔吊分别作为主吊和辅吊。

2.5 　确定钢柱安装坐标值与标识  运用虚拟仿真技术,按照施工顺序与步骤对结构进行反变形计算分析,确定出钢柱预调值,由此分别计算出钢柱顶部的深化设计坐标值和安装坐标值。每节钢柱选取至少3 个点位进行坐标控制,在制作中将这些点位进行明显标识,它是钢柱吊装就位时的唯一控制依据,关系着构件安装的准确性,必须做到万无一失、高精确。

3 　施工方法与顺序

本工程钢结构采用多台动臂塔吊同时对2 座塔楼、裙楼展开安装,核心筒与内框筒钢结构由中间向四周对称安装并领先外框筒钢结构2～3 层,而外框筒钢结构安装随建筑物的倾斜方向以平面对角为分界线依次对称进行。主体钢结构安装与压型钢板、混凝土施工、防火涂料、幕墙等专业施工保持4～6 层的施工节奏。2 座塔楼钢结构安装到顶部后,通过塔吊内爬移位后分别对塔楼1 和塔楼2 的悬臂采用分离延伸、局部合拢、块体扩大、高空散件安装的方法进行施工。悬臂施工完成后,安装在裙楼后浇带、裙楼与塔楼的连接角部、悬臂腋部预留的钢结构延迟构件。

4 　关键的建造技术和施工措施

4.1 　大型临时栈桥解决吊装受限的施工技术

CCTV 主楼钢结构施工作业面广,受地下室施工影响施工现场狭窄,构件的现场运输和起吊区设置受场地限制,增加了现场平面管理难度。若吊装起吊区设在建筑物外围,一是没有空阔的场地可利用,二是距离远,塔吊对重型构件的吊装受限。而建筑物内其他结构同时施工,不能提供有利的场地。因此为使现场通道畅通、利于构件倒运和起吊,同时也利于其他专业施工,在塔楼1 和塔楼2 的内侧各设置了1 座重达600 多t的大型施工钢栈桥,栈桥架设在基础上,顶面与室外地面相平,这有效地解决了塔吊吊装起重受限和构件现场转运的问题。施工钢栈桥平面布置如图4 所示。

4.2 　大型塔吊在纯钢结构中爬升施工技术

塔楼1 和塔楼2 核心筒的电梯井内各设置1 台M1280D 动臂塔吊和1 台M600D 动臂塔吊,随主体钢结构的安装上升而爬升,根据工况分析计算,将塔吊的2道爬升支撑体系的间距控制在17～23m,由于结构倾斜,为满足塔楼顶部和悬臂构件吊装要求,钢结构施工到一定高度后,塔吊需要进行多次移位重装。电梯井为纯钢结构,没有剪力墙,而特大型塔吊在纯钢结构中进行附着爬升,在国内尚属首次。因此运用计算机技术模拟施工工况,建立施工计算模型,在核心筒钢柱四周设立临时柱间支撑,对结构进行临时加固处理,以减少塔吊运行中对结构的影响,确保结构安全。塔吊布置如图5 所示。

4.3 　预应力锚栓施工技术

塔楼及裙楼的外框筒钢柱柱脚采用预应力锚栓固定,预应力锚栓直径为75mm, 共583套,埋设角度与相应的钢柱一致。由于预应力锚杆长度较长,最长达6m,且与水平面有6°～8.45°的夹角,为了保证预应力锚栓套架的安装稳定,在垫层上需要设置基础和埋件与套架连接。在柱脚混凝土浇筑后,对锚栓设置倾斜张拉工装,使用专门的穿心千斤顶,按照试验确定的张拉力,控制锚栓伸长量,对锚栓进行对称张拉。

4.4 　施工预调值处理与结构变形控制技术

4.4.1 　施工预调值计算

倾斜塔楼在施工各阶段不同荷载的变化情况下,导致两塔楼的水平位移和竖向位移不断发生变化,为了使结构完成主要荷载加载后达到设计位形,必须对结构进行整体预调。在CCTV 主楼悬臂合拢前后,整个结构的受力体系和变形情况是不相同的,其变形可以分为两大阶段来考虑: ①合拢前两塔楼单独受力,呈各自独立相向变形; ②合拢后两塔楼连成一个整体,相互支撑,共同受力,协调变形。而且合拢状态的真实合理与准确,关系到结构能否顺利进行,以及结构成型后的内力和位移能否满足设计允许偏差要求,因此采用综合迭代法对两阶段按照模拟施工加载的先后次序进行结构施工工况分析,计算出构件的加工预调值和安装预调值,计算出结构施工的初始位形和各分步位形,在施工中对结构构件的加工长度和节点的安装坐标设置预调值来进行加工和安装定位。计算状态和程序分别如图6、7 所示。

构件的加工预调值等于构件的加工长度与构件设计长度的差值,用来补偿施工过程中构件的轴向压缩和拉伸所产生的变形;而构件的安装预调值等于构件节点的安装坐标与构件节点设计坐标的差值,用来补偿施工过程中构件节点所产生的位移。其特点主要表现在: ①塔楼倾斜方向内侧柱加工预调值较大,外侧柱加工预调值较小,甚至为负值; ②塔楼底部构件的安装预调值较小,而在顶部构件的安装预调值较大。构件安装中的位形变化情况如图8 所示。施工中,设定多个观测点,进行动态监测实际变形情况,将实测数据与理论计算比较,找出差异规律,反馈回预调值计算、深化设计、加工和安装各方,以便及时对上部各阶段的预调值进行修正。

4.4.2 　结构变形控制

结构变形控制主要是采用精密仪器对结构重点部位的变形和应力进行监控,同时也是为了验证施工模拟计算,配合钢结构安装误差调整,及时提供预调值修正依据,保证结构变形和应力始终处于受控状态。施工过程中对结构棱角、外廓中部、腋部、转换桁架、悬臂等关键部位选取了600 多个监控点,采用静力水准仪系统、全自动跟踪全站仪、GPS 静态差分测量系统进行高程和水平方向的位移监测,即控制点的x 、y 、z 三维坐标变化情况。在悬臂合拢前采用机电百分表进行合拢位置的间隙变化监测,确保合拢快速准确。结构应力监测主要采用光纤式传感器,轴心受力构件布设2 只传感器,受弯构件在截面处布设4 只传感器。

4.5 　测量控制技术

在钢结构安装中,构件的平面位置和空间位置的准确性直接关系到结构的最终成型,对于一般高层钢结构而言,主要是控制钢柱的轴线、高程和垂直度,采用钢尺、水准仪、铅直仪和经纬仪等光电仪器进行测量控制,借助千斤顶或缆风绳等校正工具就能实现;而对于CCTV 主楼倾斜和重型钢柱的复杂结构特征,以及构件加工和安装预调值处理、结构受力和变形动态变化的施工特点,随着建筑高度增加,采用常规方法对平面和高程基准传递与测量控制,将受施工环境条件限制和干扰,增加测量误差累积,加大作业难度,不能精确、有效地对复杂结构的三维空间动态变形进行实时控制。如何实现倾斜复杂结构在施工中的动态定位和构件快速准确就位,就需要在传统的测量技术上进行改进与创新,采用新工艺和新设备,以满足安装精度要求。因此在CCTV 主楼钢结构施工中采用“双控”技术进行钢结构安装测量控制:

1) 在塔楼安装阶段采用高精度激光铅直仪进行平面基准控制点位传递、高精度全站仪高程传递和空间三维坐标测量技术,借助专门的刚性调节装置进行测量校正,采用具有自动捕捉跟踪功能的测量机器人进行监测与复核,确保大悬臂结构安装前,2 座塔楼的整体精度达到预控目标。

2) 在悬臂安装阶段采用测量机器人进行空间三维坐标测量,采用GPS 全球卫星定位技术进行基准点位的校核,实现悬臂结构快速、高精度合拢。

4.6 　高强超长超厚板焊接与电加热技术

钢结构焊接在钢结构施工中承担着主要任务,随着特大型钢结构的快速发展,钢结构焊接的难度也在不断增加,而国产高强超厚板(如100mm 厚的Q390D、Q420D、S460 等材质钢板) 也大量使用于CCTV 主楼钢结构中,材质的可焊性程度、焊接参数等不确定性因素多,焊接变形控制和焊接难度较大,尚无成熟的规范及焊接工艺参数作参照。CCTV 主楼钢结构采用的Q345 、Q390D、Q420D、S460 等高强度低合金钢板的厚度大部分在40mm 以上,最大板厚为135mm,板厚在60～100mm 达50 %。现场焊接部位主要是钢柱与钢柱、钢柱与斜撑、钢柱与钢梁以及转换桁架间的全熔透焊接,全部是一级焊缝。连接部位主要采用Q345GJG和Q390D 钢材,局部节点部位采用Q420D、S460 钢材,而在悬臂拐角节点部位则采用了锻钢材料。建筑设计为追求别致造型大胆创新,对局部应力大、传力路径复杂、杆件多角度交汇的受力部位,以及为解决异型截面杆件间的连接过渡和多杆件空间连接强度问题,大量采用了蝶形节点和复杂箱形截面,但其体形较大,焊接环境和位置复杂多变,有横焊、立焊、斜焊、爬坡焊、仰焊等多种形式,尤其是钢柱单箱体或多箱体对接接头复杂、刚性过大、焊缝集中,焊缝金属填充量达到了构件重量的1.5 %。多向构件焊接后的焊接残余应力无法释放,极易产生裂纹,从而影响整体焊接质量。针对这些特点, 主要采用CO2 气体保护焊技术,利用先进的焊接设备和焊接材料进行焊接。在焊接前,通过大量的焊接工艺评定试验,选取最佳焊接工艺参数;在焊接中,控制焊接热输入,采用电加热进行焊前预热、层间温度控制和焊后后热保温,并采取严密的防风雨措施、改善焊接环境等控制措施,减少焊接变形、消除焊接应力和抑制层状撕裂,以科学合理的焊接方法和顺序保证焊接质量。在CCTV 钢结构现场焊接中最大的焊接难度就是板厚为100mm、材质为Q390D、长达14.88m的超长立向焊缝焊接,这类焊缝主要是塔楼外框筒10 根钢柱因超重,按设计不能再分节,只能对节点进行分离吊装而形成。由于没有先例可借鉴,焊接的不可预见性太多,极易产生巨大的焊接应力,造成柱体变形和焊缝冷裂纹及母材层状撕裂等质量问题。因此,在模拟现场条件的情况下进行焊接工艺试验,并据此创造性地使用具有抗风挺度的药芯焊丝进行CO2 气体保护焊与电加热技术相结合的焊接技术,焊接按照分段退焊、多人同时对称施焊、昼夜连续施焊的方法进行。焊接完48h 后用超声波对焊缝进行夹渣、气孔、裂纹等内部缺陷探伤检测,15d 后用超声波进行延迟裂纹检测,以确保焊接质量。

4.7 　超大悬臂钢结构超高空安装技术

悬臂结构体系主要由焊接箱形和H 形截面构件组成,通过分别从2 座塔楼延伸出的外框结构和37～39 层间与悬臂外框柱相连的15 榀重达200 多t 的巨型转换桁架共同构成在空中相互作用、相互依存的受力体系,如图9 所示。针对CCTV 主楼钢结构的超大型悬臂的结构特征,结合悬臂桥梁施工工艺,通过对结构进行合理分区、分段,最大限度利用M1280D 塔吊空中移位后的起重性能,对构件进行散件或组合吊装,先以尽可能少的构件和自重逐步阶梯延伸合拢,形成空中“平台”,为悬臂内部结构和上部结构安装创造安全的施工环境。悬臂安装的合拢是本工程最大的技术难题之一,其构件应力和位移控制是实现结构准确、安全合拢和完工质量目标的关键。构件受自重和塔楼变形影响,合拢前和合拢后的受力状况不相同、传力方向发生改变,安装的预调值较大,结构位形、应力与变形的不确定性因素非常多,而且整个悬臂结构在合拢前没有达到正常的受力状态,结构稳定性较差,这些都需要运用结构虚拟仿真计算分析技术,充分考虑风荷载、温度和地震效应等自然环境因素对结构安装的不利影响,对悬臂合拢前后各阶段的施工顺序与构件安装步骤,以及采取的施工措施进行详细的工况分析,制定对结构应力和位移控制有利的施工顺序和临时加固措施。在施工中,运用测量机器人控制技术和GPS 定位技术进行测量,同时对塔楼和悬臂进行多点位实时变形观测,确保在短时间内进行对接合拢,达到正常的受力状态。

5 　结语

随着大楼的成功合拢和最终落成,在施工中产生的一系列钢结构施工工艺、技术和预调值反变形控制措施,将是对我国复杂高层重型钢结构施工技术的有力补充,能够为特大型钢结构工程大量运用高强超厚板提供技术支持,进一步推动国产低合金高强度超厚度结构钢在国内建筑钢结构领域内广泛应用;对国内建筑钢结构行业的持续发展,具有积极的创新意义。 《施工技术》