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国三期a阶段办公楼钢结构设计 1 高层钢柱结构 国有资产党第三轮a期的建筑位于北京东三环与国家外贸易路交汇处的西北角。这座建筑高330米。现在是北京最大的单栋建筑。 国贸三期主楼结构为钢结构,用钢量5万t,地下3层,地上74层,屋顶设有停机坪。平面外轮廓尺寸在地面层约55.3 m×55.3 m,至74层时收到约44 m×44m。主楼结构分为核心筒和外框筒,核心筒为型钢混凝土钢板墙支撑结构,型钢巨型柱与实腹式工字形钢梁及支撑形成支撑框架,核心筒柱柱之间采用钢板墙和斜撑连接,单钢板墙采用高强度螺栓连接,双钢板墙采用焊接连接。核心筒四个角的位置在地下三层连接有双钢板墙,其最高可达15 m,双钢板墙与钢柱焊接连接如图1所示。核心筒钢柱截面由多个工字形、箱形、T形及其他形状组成的复杂异形截面柱,所用钢材均为Q345C和Q345GJC。外框筒形状为平面削角正方形,在6-7层、28-29层、54-56层、69-74层设四道腰桁架,在28-29层以及54-56层腰桁架顶和底分别与核心筒有8道和16道伸臂桁架相连,如图2所示。伸臂桁架为箱形截面。腰桁架的斜杆及所有的框架梁均为H型钢及箱形截面,钢材材质为Q345C和Q345GJC;伸臂桁架和腰桁架所用材质为Q345GJD。40 mm以上钢板有Z向性能要求。 2 焊接技术的重点、难点和技术措施 2.1 厚板焊接变形控制 (1)钢柱焊接工程量大,截面复杂巨大,焊接变形不易控制。仅以C1-T1为例,钢柱截面达到2.6 m×3.2 m(图3),80 mm钢板对接焊缝总长达到11.6 m,仅一根钢柱由14名焊工同时作业,需12 h才能完成焊接。同时厚板组成多种异形截面,焊接位置困难。核心筒钢柱截面多为非对称组合截面,截面形式复杂巨大,板厚达到80 mm,截面形式在国内高层结构施工中较少见到,其焊接变形控制没有现成的经验可以借鉴,因此非对称异形复杂截面焊接变形控制是本工程的重点难点。 (2)腰桁架焊接节点多而复杂,且钢柱斜撑多为斜向连接,倾斜钢柱板最厚为75 mm,倾斜角度最大达22°,钢柱焊接作业点多而复杂,焊接位置困难,焊接过程长,其焊接变形控制也是本工程的重点、难点。 (3)双钢板墙超长(15 m)立缝及横缝焊接变形控制。 (4)焊接施工跨越整个冬季,冬季特厚板焊接裂纹等缺陷控制也是本工程的重点。 (5)合理地确定伸臂桁架焊接时间,以减小压缩沉降差异对伸臂桁架焊缝内应力的影响。 2.2 解决措施 2.2.1 焊接质量及保证 针对现场焊接工程量大的特点,根据本工程需要配备足够数量的优秀焊工,在开工之前对现场典型厚板接头焊接进行专项培训,进入现场的焊工对典型节点的焊接必须熟练,且焊接水平稳定,焊接质量高。 现场采用CO2气体保护焊接,焊接效率高、变形小。焊前预热和焊后后热保温采用电加热,加热效率高,温度控制准确。电加热采用计算机远程控制,可对复杂截面多点多面同时进行加热,且在焊接过程中自动控制层间温度。 2.2.2 改进节点设计 核心筒最大的钢柱由14名焊工同时对称焊接,该焊接方法能够保证厚板钢柱各个面同时收缩,在减小了各个截面焊接变形收缩差异的同时,也为各个焊接面焊接应力的有效释放提供了条件,减小了焊接应力,从而有效地控制了钢柱焊接变形。 (2)改进节点设计 节点设计采用窄间隙小坡口形式,尽可能地减小焊接热输入量;对于复杂异形截面钢柱除了周边翼缘板以外,其余截面均开双面坡口;改进节点设计,在提高焊接效率的同时,对焊接变形也能起到有效的控制作用。单双面坡口的位置如图4所示,图中阴影部分所示为开双面坡口的位置,其余位置为单面坡口,箭头所指的单面坡口为其朝向,箭头所指的双面坡口为t/3板厚的一侧;单双面坡口形式如图5所示。 (3)先焊顶层钢梁后焊钢柱 对于外框筒结构,钢柱截面为600 mm×600 mm,钢梁截面为550 mm×610 mm,因柱梁截面较接近,在现场焊接时首先焊接顶层钢梁,在保证其形成稳定的框架体系之后再进行钢柱对接焊接,具体的焊接步骤如图6所示。 2.2.3 焊接技术措施、钢墙材料 对于超长的钢板墙立缝及横缝焊接,现场采用分段倒退的焊接方法以减小焊缝内应力。 2.2.4 焊工培训及附加考试中的应用 针对斜撑及倾斜钢柱多为斜立和斜仰位置焊接的特点,在本工程开工之前,我们就斜立、斜仰焊接专门组织焊工进行焊工培训,在焊工培训中总结出了较成熟的焊接工艺,通过培训及附加考试挑选了一批掌握了斜立、斜仰焊接技术的焊工,在掌握斜立、斜仰焊的焊工中确定一批焊接质量稳定的焊工从事特殊位置的工作,并将焊工培训及附加考试成熟的工艺制定成工法卡,最终有效地保证斜立、斜仰焊缝的焊接质量。 2.2.5 棚顶焊接温度 冬季焊接需重点加强焊前预热和焊后后热保温措施。首先是搭设双层保温棚并带棚顶,以保证其棚内的焊接环境温度高