大型复杂连体钢结构加工制作和安装综合技术

陈振明，等：大型复杂连体钢结构加工制作和安装综合技术大型复杂连体钢结构加工制作和安装综合技术陈振明１许立山１彭明祥２（１．北京交通大学，北京１０００４４；２．中国建筑股份有限公司，北京１０００３７）摘要：ＣＣＴＶ主楼为体型独特的复杂连接结构，构件加工制作和现场安装难度大，特别是主楼悬臂部分具有悬挑跨度大、重量重、双向倾斜高空折形对接、多接头异型构件多、安装风险大等施工特点，安装施工难度大。

主要介绍ＣＣＴＶ主楼钢结构的施工详图设计、构件加工、悬臂现场安装及相关的结构控制技术。

关键词：ＣＣＴＶ主楼；复杂连体结构；悬臂结构；制作和安装ＦＡＢＲｌＣＡＴＩｏＮＡＮＤＥＲＥＣＴＩｏＮＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹＯＦＣｏＭＰＬＥＸＣｏＮＪＵＮＣＴＩｏＮＳＴＥＥＬＳＴＲＵＣＴＵＲＥＣｈｅｎＺｈｅｎｍｉｎ９１ＸｕＬｉｓｈａｎｌＰｅｎｇＭｉｎｇｘｉａｎ９２（１．ＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３７，Ｃｈｉｎａ）ＡＢＳＴＲＡＣＴ：ＣＣＴＶＮｅｗＳｉｔｅｍａｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇｉｓａｋｉｎｄｏｆｃｏｍｐｌｅｘＣＯｎｊｕｎｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｕｎｉｑｕｅｂｏｄｙ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｏｎ－ｓｉｔｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆｉｔｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｏｓｅｗｉｔｈｆｌｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｗｈｉｃｈｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｔｈｅｌａｒｇｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓｐａｎ，ｈｅａｖｙｗｅｉｇｈｔ，ｔｗｏ－ｗａｙｔｉｌｔ—ｓｈａｐｅｄｂｕｔｔｏｆｆａｔａｈｉｇｈａｌｔｉｔｕｄｅ，ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｍｕｌｔＨｏｉｎｔｍｕｌｔｉ－ｓｈａｐｅｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｈｉｇｈｒｉｓｋｓｉｎｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｓｏｉｔｓｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｒｅｅｘｔｒｅｍｅｌｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｓｔｅｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＣＣＴＶｍａｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅｏｎ－ｓｉｔｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒａｎｄｏｔｈｅｒａｓｓｏｃｉａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ＣＣＴＶｍａｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｅｒｅｃｔｉｏｎｌ工程概况中央电视台新台址主楼总建筑面积４７．３０万ｍ２，为全钢结构的复杂连体结构，钢结构总用量约为１４万ｔ，包括两座斜塔楼，连接两座斜塔楼的悬臂结构，以及ｌＯ层裙楼与３层地下室。

１号塔楼５２层，屋顶最高处标高２３７１ＴＩ；２号塔楼４４层，屋顶最低处标高１９４ｍ；裙楼１０层，屋顶标高４６．４５ＩＴＩ。

两座塔楼结构相似，由核心筒、内部结构、外框筒三部分组成，塔楼内部核心筒及内柱为竖直，塔楼１和塔楼２外框筒双向６。

倾斜。

柱脚平面布置如图ｌ所示。

悬臂结构为主楼连体部分，从两座塔楼１６２．２ＩＴＩ标高处（Ｆ３７层）分别延伸６７．１６５，７５．１６５ｎｌ，结构形式呈空间“Ｌ，’形。

悬臂结构共有１４层，宽３８．５９２ｍ，最远端高５３．４ｍ，钢结构总质量１．８万ｔ，加上混凝土楼板、幕墙、装饰等，整个悬臂结构质量约为５．１万ｔ。

悬臂由外框筒、底部转换层和内部框架结构组成，底部Ｆ３７和Ｆ３９层采用厚６～２０ＩＴｌｍ钢板组合楼面。

悬臂结构施工复杂，其中悬臂合龙是施工的关键点，悬挑跨度大、冬季合龙受温度等气候条件影响大、多点同时对接、位形精度控制要求高。

主要构件有：双向倾斜６。

～８．４５。

的外框蝶形节点钢柱；底部１５榀图１ＣＣＴＶ主楼柱脚平面布置连接外框的巨型转换桁架和倒Ｌ形多接头重型边梁；内筒Ｈ型钢柱、钢梁。

整个悬臂钢构件数量达６０００多件。

屋面结构为１４。

斜面，主要构件形式为第一作者：陈振明，男，１９７５年出生，硕士研究生，国家一级注册结构工程师。

Ｅｍａｉｌ：ｚｈｅｎｍｉｎｇｃｈｅｎ＠１２６．ｃｏｒｎ收稿日期：２００９—１１—２０ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１０（４）．Ｖ０１．２５，Ｎｏ．１３２５１加工制作箱形截面。

２施工详图设计钢结构施工详图设计采用先进的ＸＳＴＥＥＬ等详图设计软件及ＡＮＳＹＳ、ＳＡＰ２０００等分析软件，充分发挥软件的优势，并且通过结点二次开发等手段，使整个工程深化设计的进度和质量都得到了很好的保证。

外框柱截面形式复杂且与外框钢梁和钢支撑交叉形成蝶形节点。

主楼部分立面外框筒ＸＳＴＥＥＬ深化设计模型见图２。

图２主楼邵分立面ＸＳＴＥＥＬ模型．由于大部分钢构件由多种截面和多种材质的不同规格零部件组成，且钢板厚度以６０，８０，１００ｍｍ为主，导致构件的深化设计难度较大。

其中钢结构深化设计中，现场节点设计是深化设计的难点和重点。

受现场施工环境因素的影响且央视工程现场节点大部分为全熔透焊接节点，节点设计需要满足焊接变形小、焊接残余应力小、现场操作可行、易保证质量等要求。

构件分段是钢结构深化设计非常重要的一项工作，分段以安装可行、易保证现场质量且经济合理为前提。

深化设计中按塔吊的性能及设计要求进行合理的分段分节。

根据深化设计实际放样发现，超重构件主要集中在带蝶形节点的外框筒柱，为此采用了以下处理措施：首先分离蝶形节点，即卸下一侧或两侧蝶形节点采用现场焊接的方式。

若采用分离蝶形节点的方式仍然超重，则采取分离柱本体的方式。

若超重构件柱本体截面为日字形（双箱）截面，与蝶形节点板相连的箱柱体作为一个单元、剩余部分的“Ⅱ”形单元作为一个单元进行分离，两单元采用现场焊接方式。

若超重构件柱本体截面为目字形（三箱）截面，首先，采用将蝶形节点和相连箱柱体及中间箱柱体作为一个单元与剩余部分的“Ⅱ”形单元作为一个单元进行分离的方案。

其次，如果采用该方案分离后，其中较重单元仍然超重，则采用另外分离方案，将蝶形节点板和相连箱柱体作为一个单元与剩余部分柱体作为一个单元进行分离。

图３为Ｃ７１－４目字形钢柱超重分离示意，分离前质量为９８．３ｔ，不能满足现场塔吊起重能力要求，深化设计中将柱本体分离形成６５ｔ和３３．３ｔ两个吊装单元。

图３Ｃ７１－４目字形钢柱超重分离方法不惹因塔楼倾斜设计和大悬臂结构的影响，在建造过程中主体结构将不断地产生变形，结构位形的控制目标是在建筑物恒载加载完成后，结构的位形、尺寸符合设计图纸的要求。

通过对ＣＣＴＶ主楼结构的施工模拟分析发现，如钢构件加工制作时完全依照结构设计位形图，则会增加安装时调整的难度，与拟定的预调整幅度有一定的偏差。

为了解决偏差问题，在施工详图设计和构件制作过程中就需考虑结构杆件变形的部分预调整值，并且在各个施工阶段还必须考虑实际变形监测结果，对预调值进行修正。

３钢结构加工工程中除有普通的Ｈ型、箱形截面形式外，还增加了很多特殊截面形式，如目字形柱、Ⅱ字形柱、菱形柱，典型钢构件形式如图４所示。

ａ－－目字形柱ｆｂ一箱形柱；ｃ一Ⅱ字形柱图４外框筒典型钢构件轴测图‘典型目字形柱的加工工艺为：５２钢结构２０１０年第４期第２５卷总第１３２期陈振明，等：大型复杂连体钢结构加工制作和安装综合技术１）零件放样、下料。

应用计算机放样和数控编程录入技术，提高放样下料精度。

所有零件均预置焊接收缩补偿余量。

下料尺寸＝理论尺寸＋焊接收缩量＋加工余量～焊接间隙。

为了控制钢板的切割热变形，钢板下料采用多头自动切割机进行精密切割，以控制切割过程中受热不均。

另外，下料时严格控制切割工艺参数，保证零件切割表面质量。

坡口质量直接影响着厚板焊接质量，为保证焊接坡口质量，零件坡口将采用半自动切割机进行切割，切割后打磨光滑。

２）零件矫平、矫直。

目字形柱零件板材厚度较厚，为了消除钢板的轧制应力及切割热变形，钢板下料后采用专用钢板矫平机进行矫平，钢板平整度控制在１ｍｍ／ｍ２以内。

３）设置反变形。

目字柱为组合箱形柱，其外侧两翼缘板为非对称施焊，焊后易产生较大的焊接角变形，且难于矫正。

施工中为减小厚板的焊接变形，组装前采用大功率油压机进行预设反变形。

反变形参数根据工艺试验或以往类似工程施工经验确定。

４）单箱形柱组装。

目字柱是由两个箱形柱组合而成的，制造时先分别组装成两个单箱形柱。

组装时主要通过工装胎架进行组装，其组装次序为：先定位一侧翼缘板一再定位中间两腹板一最后定位另一侧翼缘板。

５）箱形焊接、矫正焊接方法。

因箱形柱腹板的内部施焊空间小，腹板与翼缘板的角焊缝坡口宜采用单面坡口（反面贴衬垫）形式。

其焊接方法采用ＣＯ：气体保护焊打底、埋弧焊盖面的方法进行。

焊接时，采取焊前预热、焊后保温等措施，合理的焊接顺序及较低焊接线能量。

６）组合箱形柱组装。

单箱形柱组装焊接完成后进行组合箱形柱的组装，其组装次序为：先定位一侧单箱形柱一组装中间两腹板一组装另一侧单箱形柱，如图５所示。

７）整体组合焊接后进行测量，对于尺寸超差时采用热矫法进行矫正。

８）端面机加工。

为了控制箱形柱的整体尺寸精度及其端面的垂直度要求，整体组装后进行端面铣削加工。

９）组装牛腿、焊接及矫正目字形柱制作完成后进行牛腿的组装和焊接。

组装前先在专用钳工平台上划出牛腿结构安装线，装配时严格按线装配，并保证牛腿垂直度要求。

牛腿的焊接采用双数焊工进行对称施焊，焊接方法采用ＣＯ：气体保护焊。

牛腿组装焊接完成后采用热矫法进行矫正。

１０）最后冲砂、涂装、编号，并装车发运。

图５目字形柱组装示意４悬臂钢结构安装４．１全过程模拟分析利用设计软件，将悬臂安装所需的各项临时稳固措施和定位校正措施纳入悬臂深化设计模型，建立施工各步骤、各阶段的力学计算模型，模拟相应的施工荷载、日照、温度、风载以及其他专业施工工况，以最不利工况条件分析各阶段结构变形和受力特征，确定出各临时措施的工作性能，从而判定安装步骤、分区分跨、阶梯延伸安装、阶段合龙的可行性和安全性，以及施工过程中，构件位移的动态变化情况，用以指导施工。

同时，通过计算机模型确定临时安装措施的布设位置、截面规格和长度，为悬臂构件安装定位的准确性创造条件。

悬臂安装模拟分析计算模型如图６所示。

图６全过程模拟计算模型主要模拟分析的工况有：１）单杆件就位。

２）加设支撑。

３）局部未焊接状态。

４）局部焊接成型状态，单元未焊状态。

５）单元焊接成型状态。

６）支撑拆除状态。

７）合龙过程的状态。

８）全部成型的状态。

４．２钢构件悬挑定位工艺悬臂底部构件以悬挑边梁和桁架下弦为主要基础构件，因所在部位特殊，连接接头较多，构件截面不规则，单件最大质量达４ｌｔ，单件长约１０ＩＴＩ。