刘 刚
（山西四建集团有限公司，山西 太原 030012）
[摘要]某工程地下结构采用逆作法施工，主楼竖向结构采用型钢混凝土结构，通过合理的组织和技术创新，实现了型钢柱与钢管支承柱之间在逆作区倒插衔接、合体化施工，保证竖向传力体系的合理转换，满足设计和施工规范要求。详细介绍了该技术的特点、工艺原理和施工技术要点。
[关键词]高层建筑；地下工程；逆作法；型钢柱；施工技术
[中图分类号] TU745.5 [文章编号]1002-8498( 2016)01-0028-05
随着我国建筑业的发展，高层、超高层建筑正在不断地崛起，地下部分在实际施工时由于受施工场地的限制、施工工期等因素影响，地下结构往往采用逆作法施工。型钢混凝土组合结构以其构件截面小、加工工厂化、现场安装速度快等优点，有着更广泛的应用前景。由于逆作法施工工艺的特殊性，传统逆作施工临时支撑格构柱或外浇筑大截面混凝土柱、或与主楼永久柱不在同位置需换撑的做法已不能满足超高层建筑逆作施工的要求，通过采用地下部分设置钢管支承柱作为临时竖向传力构件，钢管支承柱与结构型钢混凝土柱位置重合，实
现了型钢柱与钢管支承柱之间在逆作区倒插衔接、合体化施工，保证竖向传力体系的合理转换，满足设计和施工规范要求，可为类似工程提供参考。
1 工程概况
太原红星美凯龙家具生活广场位于山西省太原市小店区长风街体育路口往东100m，占地面积13 600m2，总建筑面积12.7万m2，其中地上8.7万m2，地下4. 01万m2。地下3层，主楼地上34层，地上9层与24层为避难层，其余为办公层，高度149. 5m。裙楼地上7层，高度41. 2m。
主楼结构形式为型钢混凝土组合柱，核心筒结构；主楼外围共有18根型钢混凝土组合柱，由于本工程采用基坑周边逆作法施工，主楼靠近逆作区有10根十字形钢柱进行逆作施工。
2工艺特点
1)简化施工程序，降低施工成本 型钢柱倒插施工优化了逆作施工临时支撑柱换撑工序，临时支撑柱与正式结构柱合体化施工，减小了截面，节约了材料，加快了施工进度。
2)定位准确 利用柱顶定位向下引导测量定位法，解决型钢柱逆向施工、与临时支撑钢管立柱位置重合、钢管立柱的偏位和倾斜（因规范中桩允许偏差和型钢柱允许偏差不一致造成）、数据测量不准确的难题。
3)传力体系转换合理 通过结构型钢柱倒插施工，与临时钢管立柱合为一体，共同承担上部荷载，并传至基础承台，合理解决竖向传力体系的转换，保证了结构柱竖向受力，从而满足设计、施工规范要求。
3 工艺原理
传统逆作施工中建筑物临时支撑柱与永久结构型钢柱大多不在同一位置，通过设计阶段与设计单位沟通、计算，将临时支撑立柱与永久结构型钢柱同心设置，从而减少换撑工序，降低超高层不同心换撑的结构风险以及临时支撑柱拆除等材料浪费。
结构型钢柱与临时钢管支承立柱衔接时，简单的上下对接不能满足整体结构的受力要求，因此型钢柱加工时，上节柱上半部加工成完整的十字柱，下半部将与钢管支撑立柱重合部分的腹板进行割除，与钢管支承立柱之间进行倒插连接，下节柱加工成4片“T”形柱。按照设计要求，已浇筑混凝土的钢管立柱通过水平对接焊接、竖向焊接等工艺，替换割除的十字型钢柱腹板受力。利用钢材之间的焊接性能，保证了十字钢柱与钢管立柱之间的良好连接，形成临时支撑钢管立柱与正式型钢结构柱合体化施工，合理解决竖向传力体系的转换，从而满足了设计、施工规范要求，确保工程质量。
4 施工工艺流程及操作要点
4.1 工艺流程（见图1）
4.2操作要点
4.2.1施工准备
1)土方开挖使钢管立柱部分露出地面，为便于施工操作，开挖深度应为楼层结构标高往下2. 5m左右，并在该位置浇筑临时垫层，便于脚手架搭设，根据临时垫层的位置确定本节十字钢柱的总长度，保证十字钢柱下口标高位置比临时垫层高500mm。
2)钢管立柱挖出后，采用角磨机将钢管立柱表面的氧化铁、泥土等杂物清理打磨干净。
3)钢管立柱柱头内要剔凿平整、清理干净。
4)钢柱安装区域及施工道路要畅通、结实、平整。
4.2.2 钢管立柱偏差测量
1)钢管立柱柱头轴线位置偏差测量
钢管立柱挖出并清理打磨干净后，采用全站仪在钢管立柱顶部测出十字型钢柱的中心坐标定位点，并在钢管立柱顶部位置弹出十字线，同时还需将十字轴线引测到钢管立柱顶端侧壁上做标记，根据十字线的位置分别测量出钢管立柱的轴线位置偏差（见图2），并记录数据C1，C 2，C3，C4。
2)钢管立柱柱身垂直度数据测量
首先采用经纬仪在相互垂直的4个方向从钢管立柱顶端侧壁上的标记点往下引垂线，并在钢管立柱身上弹墨线，然后使用水准仪将本节十字钢柱下口的标高位置标记在钢管立柱上，最后采用磁力线坠放置在柱头侧壁标记点处，待线坠停止摆动后在下口标高位置测量线坠垂线与钢管立柱身墨线之间的距离（见图3），分别记录数据d1，d2，d3，d4。
4.2.3数据分析计算与CAD精确放样
1)根据以上测量的数据进行分析计算出钢管立柱的倾斜情况，并根据计算出的数据采用CAD进行精确放样，绘制出十字钢柱腹板掏空部分的切割大样图。腹板切割计算公式如下：
式中：e为线坠根部尺寸；a为钢管立柱头处十字钢柱翼缘板外侧距钢管立柱之间的理论尺寸。B为单节十字钢柱下端处翼缘板外侧距钢管立柱之间的理论尺寸。
2)实际腹板切割时可根据实际情况将计算数据减去10mm进行切割，即保证十字柱腹板与钢管立柱之间留有一定的间隙，便于钢柱吊装就位和校正时调整。
4.2.4 上节十字型钢柱及下节型钢柱工厂加工
按照设计施工图纸及相关规范图集对钢结构加工详图进行二次深化设计，根据深化详图在加工厂进场工厂化批量制作。
4.2.5上节十字钢柱腹板局部掏空及下节T形钢柱切割
1)由于十字型钢柱在腹板局部掏空后翼缘板会发生变形，因此在腹板切割前要在十字钢柱的下口焊接临时支撑，为防止在运输、装卸车过程中发生变形，在十字钢柱上口连接部位也要设置临时支撑，临时防变形支撑设置如图4所示。
2)临时支撑加固完毕后，方可根据腹板切割放样图对钢柱腹板进行切割，切割时要根据实际情况将腹板与钢管立柱之间留有5~ 10mm的调整间隙，尽可能采用半自动切割机，确保腹板切割后的边缘顺直。
3)另外切割时要特别注意腹板的坡口方向，以免开反，坡口方向应结合实际情况确定，坡口应开在腹板与钢管立柱连接处缝隙较大的一侧；坡口的角度应根据CAD放样后腹板与钢管立柱连接处缝隙较大一侧的数值大小而确定，保证焊缝的外观宽度t= 15~ 20mm。
4.2.6钢柱出厂
所有钢构件在车间加工完毕后，对不同位置的钢构件进行编号，然后对其加工质量进行全面检查，检查合格后方可出厂。
4.2.7上节钢柱倒插安装
1)钢柱的吊装可根据单件钢柱的实际质量、工作半径、现场条件合理选取起重机械进行吊装。
2)钢柱吊装时采用耳板吊装法，钢柱吊点设置在事先焊好的耳板上，用专用吊具吊装。吊装时用2个U形卡环分别将钢丝绳的一端与钢柱上的2个耳板连接牢固，钢丝绳另一端挂在吊钩上，连接牢固即可试吊，试吊检查没问题后进行正式吊装，将型钢柱缓慢吊装至所在位置钢管立柱上空300mm处时，人工调整型钢柱使其下部开口处对准钢管立柱，对准后缓缓落钩，起落钩要听从指挥，型钢柱就位后首先将型钢柱的标高调整到正确位置，然后利用撬棍、千斤顶、经纬仪等工具进行轴线偏差调整和垂直度校正，使型钢柱的轴线与垫层地面上事先划好的十字轴线重合，待型钢柱标高、轴线、垂直度都调整完毕后，将型钢柱与钢管立柱临时点焊固定，点焊牢固后再进行焊接。
4.2.8上节钢柱焊接
4.2. 8.1焊前防变形支撑加固
钢柱安装校正完成后进行焊接，在正式焊接前，为防止焊接变形要对十字柱腹板掏空部分进行临时加固，临时支撑的两端要分别与钢柱翼缘板和钢管立柱焊接牢固，具体加固措施如图5所示。
4.2.8.2焊缝接头形式
由于钢柱整体套在钢管立柱上，为便于钢柱顺利插入，依据现场实际测量的钢管立柱轴线位置和垂直度偏差，在加工厂内两边各预留10mm间隙，并在背面加6mm厚、40mm宽钢衬板后进行全熔透焊接。
4.2.8.3焊接方法和焊接顺序
1)焊接方法 为保证施工进度，现场焊接采用CO2气体保护焊焊接工艺。为提高焊接速度同时加强高空施工CO2气体保护焊的抗风能力，也可采用药芯焊丝自保护焊焊接工艺。
2)焊接顺序 自下而上、多层多道焊缝交替焊接。由于每道焊缝的填充量均比较大，所以焊缝不得一次焊接成型，要分层逐步交替焊接，每层焊缝的厚度≤5mm，并做好焊渣的清理工作。
3)焊前准备 所有的焊接材料和辅助材料均要有质量证明书，且符合相应的国家标准；现场的氧气瓶、乙炔瓶和CO2气瓶应排列整齐、分区摆放；焊前要检查安装螺栓是否终拧，检查坡口、间隙、钝边是否符合设计要求，检查构件有无发生变形，对受损和不满足安装质量的构件进行及时处理；焊接前要搭设焊接施工的脚手架、操作平台，并使用钢丝刷或电动钢丝砂轮对坡口内及两侧的浮锈进行打磨清理。
4)定位焊钢柱在就位校正完成后，要沿柱腹板焊接长度进行定位焊，间距600mm，分布位置要避开连接板，定位焊长度80~100mm，焊缝高度4—6mm。定位焊点焊采用手工电弧焊，
4. 0mm，Q345钢使用E50型（Q235钢使用E43型）焊条，焊接电流80～120A，焊缝表面要求过渡平滑，与母材融合良好，落点弧坑要填满；如发现焊缝上出现气孔和开裂，一定要清除干净后重焊。
4.2.8.4焊缝尺寸
焊接过程中，严格执行工艺指导书，不得随意改变焊接参数；不得在焊缝以外的母材上打火引弧。焊接时每道焊缝的宽深比应≥1.1。单道焊最大焊缝尺寸宜符合表1要求。
钢柱焊接过程中每层的引弧和收弧点要相互错开80~100mm，防止重叠引收弧处缺陷的叠加。
焊接完成后，割除构件上的临时支撑、吊耳，将构件上的焊瘤、飞溅物、毛刺、焊疤等清除干净并修磨平整。
4.2.9上节钢柱验收
1)倒插式十字钢柱安装的质量标准应符合以下要求：①首节柱柱顶轴线对定位轴线偏移 允许偏差3. 0mm，用全站仪柱头坐标定位检查；②单节柱垂直度允许偏差h/1 000且≤10mm，用经纬仪或磁力线坠检查；③首节柱柱头标高 允许偏差±2. 0mm，用水准仪检查。
2)倒插式十字钢柱安装后的焊接质量应满足以下要求：①十字型钢腹板与钢管立柱焊接接头形式接近于T形接头，进行全熔透焊接，其焊脚尺寸应≥t/4，焊脚尺寸的允许偏差为0~4mm。②设计要求十字型钢腹板与钢管立柱连接焊接按照二级焊缝外观检验。故焊缝表面不得有裂纹、焊瘤、表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷。
4.2. 10下节钢柱安装
1)由于十字形钢柱采用逆作法施工，上节钢柱柱身上部为完整的十字柱，下部由于有钢管立柱的存在，腹板局部掏空，因此下一节钢柱腹板要通长与钢管立柱进行连接，十字型钢柱就变为由4个T形钢柱与钢管立柱焊接成型的组合截面，十字钢柱的安装就变为T形钢柱的安装。
2)T形钢柱在加工前同样要测量钢管立柱的垂直度偏差，采用经纬仪从上节柱的腹板中心往下引垂线，在钢管立柱身弹黑线，用磁力线坠测量钢管立柱的垂直度，然后对测量的数据分析计算（计算方法同上节柱），CAD放样图绘制，T形钢柱腹板切割，最后运至现场进行安装。
3)由于是逆作法施工，上节钢柱安装完成后，多数要进行上一层的混凝土柱、梁、板的浇筑，下节T形钢柱在安装时起重机难以到达安装位置，因此下节T形钢柱安装时主要使用塔式起重机将构件尽可能运输至安装位置附近，然后人工采用钢管滑移法将T形钢柱移动至安装位置，最后采用倒链进行安装就位。
4)T形钢柱在焊接前首先将T形钢柱的4个翼缘板采用临时支撑焊接在一起，每隔800mm设置1道，再采用临时支撑将钢柱的翼缘板与钢管立柱进行焊接，从上往下0. 5m和1.5m的位置各设1道，临时支撑的厚度同柱翼缘板，宽度≥50mm。临时支撑加固完毕后进行正式焊接，焊接时先焊接下端与柱底板连接的焊缝，再焊接T形钢柱腹板与钢管桩连接的焊缝（自下而上），最后焊接上部接头位置的对接焊缝，焊接采用CO2气体保护焊进行焊接，焊接完成且所有构件完全冷却后割除所有的临时支撑和吊环，最后将所有现场需要探伤的焊缝（上下钢柱对接焊缝）两端5cm范围内打磨干净便于探伤，在钢柱焊接完成24h后对上下钢柱对接焊缝进行超声波探伤检测。
4.2. 11 柱脚底板及地脚锚栓安装
1)由于受钢管立柱的影响，柱底板不能正常安装，需要将柱底板中间切割出钢管立柱位置的孔洞并分成4块进行安装。因此柱底板在制作前要对柱底板所在标高位置的钢管桩偏移数据进行准确测量，测量时使用经纬仪和磁力线坠，测量方法同上，分别记录钢柱底板标高位置的数据L1，L2，L3，L4，然后测量线坠根部尺寸e，由公式a=L-e可以确定T形钢柱翼缘板与钢管立柱接触处的距离，柱底板处钢管立柱偏移数据测量如图6所示。
2)根据计算出的数据使用CAD进行精确放样，确定钢管立柱的圆心及具体位置，并需要确定柱底板的分块切割线。
3)柱底板切割时首先在加工厂采用数控切割机在柱底板中间切割出比钢管立柱直径大10mm的圆孔，然后分割成4块并开坡口，柱底板分块拼接时开350单V形坡口，留2mm钝边，2块板之间不留间隙。柱底板与钢管桩之间留有5mm的间隙，开35。单V形坡口，留2mm钝边。为便于后期钢柱底板与基础之间的二次灌浆，在钢柱底板上要在避开焊缝位置进行提前进行钻孔，孔的直径和数量根据实际情况确定。
4)柱底板安装时的平面水平度采用水平尺进场控制，水准仪进行复核，水平度应≤5mm。柱底板安装固定过后首先进行柱底板的焊接，焊接时先焊通长的直焊缝，后焊与钢管立柱相连的圆弧焊缝，焊接前要在柱底板下面点焊钢衬板，焊接时要注意柱底板的焊接变形，要根据实际情况设置临时支撑加固，焊接完成后安装地脚螺栓，紧固后将螺栓垫块与柱底板采用角焊缝进行四面围焊，焊脚尺寸10mm。
4.2. 12混凝土浇筑
每节型钢柱安装就位后，水平梁板结构进行模板支设、钢筋绑扎、混凝土浇筑；待柱底板、地脚螺栓安装结束浇筑基础混凝土；逆作施工水平结构施工过程中，利用施工间歇时间，对逆作柱进行钢筋绑扎、模板支设、混凝土浇筑。
5 结语
通过采用型钢拄与钢管支承柱之间在逆作区倒插式施工工艺的研究与应用，既保证竖向传力体系的合理转换，满足设计和施工规范要求，又减少了临时支撑柱拆除产生不必要的废弃物，降低了施工成本，缩短了施工工期，可为类似工程提供参考。
