上海中心、平安金融中心、中国尊大厦超高层钢结构实力大比拼

1超高层钢结构概述

在中国城市经济发展的推动下，各大城市正在建设更多的超高层建筑，这些建筑基本都选择了钢结构体系。超高层建筑结构，一般采用框架－核心筒－伸臂桁架结构体系，其中框架一般由巨型柱和环带桁架组成，部分项目设置有巨型支撑。

a—结构模型;

b—抗侧力体系。

图1上海中心大厦结构体系上海中心大厦(图1)

采用巨型框架－核心筒－外伸臂结构体系，在8个机电层区布置6道两层高的外伸臂桁架和8道箱形空间环形桁架，由箱形空间环形桁架和巨型柱形成外围巨型框架。巨型柱、角柱间的环带桁架是一整体结构，径向桁架、楼面梁上的受力传递其上，再由其传递至巨型柱。

a—结构模型;

b—抗侧力体系。

图2平安金融中心大厦结构体系

深圳平安中心大厦(图2)，采用巨型斜撑框架－核心筒－外伸臂结构体系。结构设置了4道外伸臂桁架，将核心筒与巨型柱有效地连接在一起。7道空间双桁架均匀布置于每个避难/机电层，用于连接巨型柱，使结构的外围形成巨型框架。北京中国尊大厦(图3)采用巨型框架+混凝土核心筒(型钢柱+钢板剪力墙)结构体系，4根世界最大的多腔体巨型钢柱与翼墙、核心筒钢板墙等1.3万t钢构件一起，共同托起528m的中国尊大厦。

a—结构模型;

b—模型截面。

图3中国尊大厦结构体系

2巨型柱的结构形式及加工难点

超高层建筑钢结构的钢柱一般设计为整体式巨型柱(如上海中心大厦、深圳平安金融中心，图4)和多腔型巨型柱(如天津高银117大厦、北京中国尊，图5)。

a—上海中心大厦巨型柱;

b—深圳平安金融中心巨型柱。

图4整体式钢结构巨型柱

a—天津高银117大厦巨型柱;

b—北京中国尊巨型柱。

图5多腔型钢结构巨型柱m

超高层建筑钢柱的截面根据受力要求，可设计为H型、箱型、日字型、田字型、王字型以及异形(巨型)柱。这部分钢柱一般要求在工厂加工成整体出厂，其中巨型柱的装配、焊接及尺寸控制难度较大。

整体式巨型柱的加工难点:

1)巨型柱外形尺寸大、重量重，整体结构形式复杂，拼装顺序要求高;

2)钢板强度高、厚度大，焊接质量和焊接变形控制难度大;

3)上、下节柱间拼接接口多，钢板对口错边和端口垂直度要求高。多腔体超厚板组合型巨型柱是在普通箱型－混凝土柱基础上发展起来的一种新型构件，目前已成功运用于天津高银117大厦和北京中国尊等项目。多腔型巨型柱一般位于建筑物平面四角并贯通至结构顶部，其截面按照结构构造要求设计为多腔体形式。

多腔型巨型柱的加工难点:

1)多腔柱截面尺寸大、无法整体制作出厂，必须分段、分块加工;

2)钢板壁厚厚、构造复杂，装配精度要求高;

3)焊缝数量多，且多为全熔透焊缝，不仅焊缝截面大，且焊缝交汇多，容易形成较大的焊接应力和焊接变形;

4)现场施工的横向和纵向拼接焊缝多，出厂定位尺寸精度要求高，需要进行工厂预拼装。

3巨型柱加工技术

图6上海中心巨型柱分布

3.1整体式巨型柱加工技术

3.1.1整体式巨型柱概况上海中心大厦结构平面布置见图6，在核心筒外的环形周边上分布8根大截面的SC1巨型柱和4根大截面SC2巨型柱。在结构沿高度方向巨型柱被划分为桁架节点段柱和非桁架节点段柱。

3.1.2巨型柱规格SC1巨型柱截面由3个H型钢与4块钢板焊接而成，净重达77.62kN/m。典型巨型柱截面尺寸见图7及表1。

a—SC1;

b—SC2。

图7巨型柱截面示意

表1上海中心巨型柱截面尺寸mm

3.1.3标准段巨型柱的制作

1)设置工艺隔板，保证整体装配尺寸。巨型柱的标准段(图8)占上海中心大厦主体结构重量的30%，在标准段制作中，通过设置工艺隔板的方法保证装配尺寸精度、控制焊接变形。

图8典型标准段巨型柱

工艺隔板的长度、宽度下料尺寸比箱体内腔尺寸小60mm，并安装顶置块，顶置块与箱体的接触边应进行铣削(图9)。设置顶置块的目的是在保证装配精度的前提下，方便工艺隔板的拆卸，从而使工艺隔板可反复利用，提高效率，降低成本。巨型柱的H型钢本体分别加工完成且尺寸检验合格后，在总装胎架上依次进行H型钢、工艺隔板、两侧腹板、上部H型钢的装配，直至完成巨型柱的整体装配(图10)。

图9巨型柱工艺隔板示意

a—隔板在腹板的定位;

b—总体装配状态。

图10巨型柱总体装配示意

2)优化焊接工艺和设备，确保焊接质量，控制焊接变形。

a．焊缝坡口:巨型柱双腹板坡口方向的内侧为大坡口，外侧为小坡口。

图11内腔纵缝小车双丝埋弧焊接

b．焊接设备及方法:针对钢板厚、焊接量大的特点，优先选用埋弧自动焊(SAW)进行焊接，其中打底1～2层，先采用SAW单丝焊接，然后SAW双丝焊接。考虑巨型柱的内部空间，内腔纵缝使用小车双丝埋弧焊机进行焊接(图11)。

c．焊接位置及顺序:焊接时采取巨型柱平放的位置，并通过框架对巨型柱进行翻身;按图12所示的顺序实施巨型柱本体焊缝打底、填充、盖面焊接。内侧焊缝打底完毕，外侧清根，并且采用气体保护焊进行焊接，焊接完毕，拆除内部工艺隔板。实施内部焊缝的埋弧焊。焊接时，先焊中间焊缝，后焊两侧焊缝，同时、同方向、同规范对称焊接。

注:1～12为焊接顺序编号。

图12巨型柱腹板纵缝焊接顺序

3)端面加工。通过端铣，控制巨型柱的垂直度和端口平面度。

3.2多腔型巨型柱加工技术

3.2.1多腔柱概况

中国尊项目的多腔箱型巨型柱位于塔楼平面四角，底部柱截面面积约63.9m2，截面尺寸为13707mm×6190mm，钢板厚度最大为60mm，材质主要为Q390、Q390GJ、Q345、Q345GJ。多腔柱内部截面复杂，由13个封闭箱体组成，整根多腔柱连接接口多，上下节柱水平对接接缝20条，长度约70m。

3.2.2合理分段整根多腔柱总重量近1500kN，根据结构形式、加工工艺和现场施工要求，将整根多腔柱拆分为4个相对独立的钢柱，由2个不规则田字型钢柱和2个H型钢柱共4部分组成(图13)。

图13多腔柱水平分段示意

3.2.3多腔柱分段的制作以不规则田字型柱段为例，其制作装配流程见图14。由于田字型柱截面较大，装配时在水平胎架上进行，严格控制面板、腹板间的组装尺寸及垂直度。为保证装配精度和控制焊接变形，同样采用工艺隔板进行控制。由于多腔柱腔体截面尺寸较大，工艺隔板采用钢板条拼制的形式。

a—装配第一腔隔板及工艺隔板;b—装配中间竖板;c—装配第二腔隔板及工艺隔板;d—装配横隔板;e—装配上部腔体隔板;f—装配外侧壁板;g—装配外侧斜壁板;h—装配顶板;i—装配完成。

图14多腔柱的装配流程

3.2.4焊接工艺针对多腔巨型柱内部结构复杂、焊接要求高的特点，制定详细焊接工艺。

1)焊接坡口。根据每条焊缝的具体位置、板厚、角度，分别制定相应的焊接坡口(图15)和内外焊接顺序。

图15多腔柱的焊接坡口

2)焊接顺序。焊接时，严格按照指定的焊接顺序施焊，见图16。为减少焊接变形，施焊可采用分段退焊、分段跳焊等方法进行。双人同时对称焊接时，要保证焊接工艺参数及施焊方向一致。

3)特殊措施。图16中的右侧焊缝③，由于空间位置狭小，无法焊接。制作时才要将下部横隔板分段，待焊缝③焊接完毕，探伤合格后，再装配断开横隔板的部分并焊接，从而保证整体焊接质量满足设计要求。

3.2.5端面加工由于多腔柱整体截面较大，只能将各分段分别进行端面铣削加工;各分段进行端面铣平时，应对构件固定牢固，并控制自身水平度以及与端铣机之间的垂直度，端面的铣平精度应控制在0.5mm内。

a—正面焊接，顺序①→②→③→④，为保证焊缝③，横隔板与外侧板处断开;b—翻身焊接，顺序⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩;c—装配断开横隔板的部分并焊接。

图16多腔柱的焊接顺序

4计算机模拟

预拼装技术出厂前对构件进行整体预拼装是对构件尺寸检验的最好方式。但由于超高层建筑的巨型柱，特别是多腔巨型柱外形尺寸较大，进行实体预拼装存在场地、周期、成本、安全等各方面问题。为解决超大构件预拼装问题，通过专用软件开发，研究了一整套计算机模拟预拼装方法。计算机模拟预拼装方法步骤如下:

1)从设计模型中确定需要预拼装构件的整体范围，并对参与预拼装构件现场拼接接口的控制点进行选择、编号、给出理论坐标，形成构件测量检查记录表。

2)对构件的安装控制点进行测量，并将测量数据导入专用软件。

3)通过专用软件的坐标体系转换，对构件实测的控制点坐标与理论模型坐标进行匹配，由软件自动给出匹配偏差，并标注大于允许偏差的位置点。对超差的构件进行矫正并重新测量，直至合格。

4)通过软件，将全部单根构件的实测数据坐标模型进行模拟预搭载，对接口控制点坐标数据进行自动匹配，并给出匹配偏差。当控制点匹配数值超过现场安装的允许偏差时，即需要对构件进行矫正，从而达到预拼装的目的。

5结束语

1)通过对超高层建筑钢结构的结构形式、构件类型进行分析，分别总结了超高层钢结构中常见的典型巨型柱的结构形式及技术难点。

2)巨型柱是超高层建筑钢结构中典型的受力构件，通过适当分段、合理控制装配工艺、整体预装检验等措施，可以有效保证结构件的加工质量。

3)由于超高层建筑钢结构的外形尺寸较大，实体预拼装检测困难，通过计算机模拟预拼装技术，在保证构件质量控制的基础上，可有效解决实体预拼装的工期、成本、安全等问题。