1、第一章 钢结构施工概述第一节 钢结构工程概况本工程的主体钢结构包括：混凝土核芯筒内的劲性柱、外筒结构、楼层结构（包括塔顶转换层和空中漫步道）和天线桅杆等。劲性柱共设置 14 根，沿混凝土核芯筒周边布置，为工字型截面型式。钢结构外筒是电视塔主要的垂直承重及抗侧力结构，包括三种类型的杆件：立柱，环和斜撑。外筒共有 24 根立柱，由地下二层柱定位点沿直线至塔体顶部相应的柱定位点，全部采用钢管混凝土组合柱。柱截面尺寸由底部的钢管直径 2.0 米逐渐减小到顶部的 1.2 米，柱内填充混凝土的强度等级为 C60。斜撑的材料为钢管，其直径大小为 850700 。斜撑与钢管混凝土柱的连接采用相贯节点刚接形式。
2、外筒的环梁共有 46 组，环梁材料亦为钢管，环梁直径均为 800。环梁与钢管混凝土柱通过外伸的圆柱节点相贯连接。所有现场节点均为焊接连接。内外筒之间共设置 37 层楼层。楼层钢结构为主次梁结构，主梁一端与混凝土核芯筒连接，另一端与钢外筒连接。考虑内外筒存在垂直位移差，连接节点采用铰接。部分楼层采用重型桁架和悬挂结构。在+178.400+272.000 米和+287.600 +318.800 米，围绕核芯筒外侧旋转而上设有空中漫步道，对应核芯筒楼层处设置休息平台。漫步道悬挑横梁长度约 1.4 米，采用 H 型钢。连接桅杆天线和外筒钢管混凝土柱的转换层从+438.40 米至+448.80 米，高
3、10.4 米。共设置八榀转换桁架，中间与椭圆钢环连接，外端与钢外筒连接。混凝土核芯筒顶标高居于转换层之下约 200mm，待结构稳定后中间填充柔性垫层。转换桁架上下弦杆采用 600x1200 的箱形截面，斜杆采用 600x1000的箱形截面，竖杆为 600 的钢管。桅杆天线高度达 156 米，位于塔体顶部，下部采用格构式钢结构，上部采用全钢板焊接成箱形截面。桅杆天线平面形状为正八边形和方形两种形式，底部正八边形平面轮廓为 10.0m x 10.0m，顶部平面轮廓为 0.75m x 0.75m。工程钢结构总重逾 5 万吨。图 3.1.1.1 新电视塔结构外框轴测图第二节 施工特点及难点2.1 钢结
4、构特点2.1.1 结构形式特殊本工程的主体结构由混凝土核芯筒和钢结构外筒组成。其混凝土核芯筒为一等截面（内净尺寸 17m14m）椭圆柱体，设有大量建筑孔洞，细长而柔；其钢结构外筒为由 24 根圆锥形立柱、46 组环梁及分布其间的斜撑组成的变截面椭圆筒体。由于钢结构外筒自下而上作 45扭转，因此使外筒所有构件均为三维倾斜，这种独特的结构形式为目前国内外所仅见。内外筒之间分区域疏密不均地设置了 37 层楼层。由于楼层的大量缺失，整个结构既似塔桅，又兼有超高层的特点，因此使得内外筒之间的相互作用和共同工作值得重视，也使结构施工阶段的稳定问题凸现。在塔体顶部，设置由内环、外筒和桁架等主要构件组成全钢结
5、构的转换层，其上尚有格构结构和箱型截面组成的天线钢桅杆，考验着施工承包企业的技术应变能力。2.1.2 体量大，高度高整个工程钢结构重量逾 5 万吨。钢结构外筒基础平面为一长轴 80 米，短轴 60 米的椭圆。由于其中心与混凝土核芯筒的中心不重合，偏差达 9 米多，使安装作业半径倍增。塔体高达 454 米，其上天线桅杆长达 156 米，整个结构高 610 米，雄踞世界之最。俗话说：“高一分，险三分” ，给结构施工带来较大风险。2.1.3 构件重，高空焊接量大钢结构主要构件立柱钢管的截面直径为 2000mm1200mm，壁厚为50mm30mm，单位长度重量达 2.4t/m0.9t/m，最大分段重量
6、达数十吨；部分楼层桁架重 50 余吨，转换桁架每榀最重更是达 100 余吨。构件重量重，安装作业半径大，对于合理选用起重机械和构件单元划分提出了要求。钢结构外筒均采用钢管构件，高空节点为焊接等强连接。焊接量大，且高空作业条件差，如何优化节点构造型式，改善高空作业条件，选择合理的焊接工艺成为解决问题的关键。2.1.4 安装精度高，影响因素多根据投标技术文件，钢立柱的安装精度为 1/2000，且不大于 5mm，远远高于一般超高层建筑和塔桅的安装要求，这就为测量定位和施工过程控制提出了极大的挑战。除了测量、焊接等影响安装精度的因素外，由于结构的扭转和超高度，在恒载作用下变形显著且关系复杂；随着结构高
7、度的升高，在季度温差、昼夜温差及因日照引起的结构温差作用下使结构的变形控制难度大增。而不同材质的内外筒，因线膨胀系数的微小差别引起的变形差，也显得不可忽视。2.2 工程对钢结构施工的要求2.2.1 施工环境新电视塔工程紧邻珠江，岸边原有一环卫码头，经适当改造后，可供部分钢结构水运至工地，而获舟楫之利。由于裙房施工有工期要求，将会对塔楼钢结构施工总平面布置产生一定影响，因此需要全盘考虑。广州属于亚热带季风气候，根据广州市近几年气象资料分析，常年平均气温 22.0，最热 7 月平均气温 28.5 ，最冷一月平均气温 13.6；极端最高气温 39.1 ，极端最低气温 0.0，年平均相对湿度 78。广
8、州市区电视塔拟建区域秋冬季的平均风速较春夏季要大，年平均风速 1.8m/s，虽近二十五年来未出现十级以上大风，但在多风季节，仍将给结构吊装带来相当的风险。正常年景，3 6 月份湿度大且雨量充沛，亦将对施工特别是高空焊接带来重大影响。而广州年平均雷暴日为 77.1 天，新电视塔又处于雷电灾害多发区。施工阶段的防雷和避雷问题必须引起重视。2.2.2 钢结构与其它各工序之间的搭接施工为了满足总工期的要求，土建地下室必然与钢结构安装搭接施工；为了满足内外筒结构的整体刚度以及大型塔吊对混凝土核芯筒的受力要求，混凝土核芯筒、钢结构外筒以及楼层须同钢结构的吊装顺序同步施工，并保持适当的步距。这对工程的总体协
9、调管理和钢结构吊装过程中的施工控制都将产生影响。钢管柱内混凝土的浇筑，以及混凝土楼层的施工与钢结构多道工序的施工交叉搭接，紧密相关。2.2.3 工期要求钢结构的安装工期虽逾两年，但随着施工高度的升高，吊装作业工效逐渐降低，施焊相对困难，测量及变形控制的难度增大。天线桅杆施工时， “华山天险一条路” ，作业面也更为狭窄，加上气候影响，各工序交叉搭接，施工进度仍十分紧张。2.3 钢结构安装的难点和关键综合广州新电视塔的结构特点和工程要求，可见本工程的钢结构的施工面临巨大的挑战，其技术风险应予重视。钢结构安装的难点和关键归纳如下：2.3.1 起重设备的选择、布置和吊装单元的划分根据钢结构施工的周边环
10、境条件和混凝土核芯筒先于钢结构施工的特定条件，选择合理的起重机机型、数量和布置位置，满足大半径、超高度的结构安装和施工进度要求，是钢结构安装的基础条件之一。超高空塔式起重机的转换和拆除也是一个难题。因结构构件的体量较大，形式多样，单件重量重，如何合理划分吊装单元，充分利用起重设备的性能，并减少高空散装和高空焊接，提高安装效率，是应首先考虑的问题。2.3.2 高精度的测量、校正和定位鉴于本工程形体复杂，空间节点坐标多变，安装高度高，而结构安装精度的要求十分严格的情况，选择合理和可靠的高精度测量技术，包括基准控制网的设置，测量仪器的选用，测点布置，数据传递和多系统校核等，是本工程结构安装确保施工质
11、量的关键之一；而在超高空进行大型构件的校正和定位也是本工程的难点。2.3.3 结构（构件）在安装过程中的稳定问题由于本工程钢立柱双向倾斜，楼层缺失处钢外筒与混凝土核芯筒之间多无永久的可靠连接。因此，在施工荷载、风荷载等作用下，结构在施工阶段的任一时刻，如何确保结构稳定亦是关键问题之一。合理的吊装顺序和有效的临时支撑系统则是必不可少的施工措施。2.3.4 超高空作业的安全操作设施本工程由于结构形式特殊，绝大部分均为凌空作业，如何设计合理的安全操作系统，包括垂直登高、水平通道、作业平台和防坠隔离措施等是安全生产的基本保证。设计这一安全操作系统，除安全可靠外，尚须兼顾周转方便，校正、焊接等设备的放置
12、，超高空作业中改善人员心理状态视觉屏障的设立以及防风防雨措施等。2.3.5 施工阶段的结构验算、施工控制和施工监测针对本工程内外筒因不同材质而存在的变形不协调问题；特殊结构形体引起的扭转问题；在结构自重荷载、温度荷载、风荷载作用下的结构变形和安全问题；在施工荷载（如起重机械、混凝土机械等）作用下结构整体或局部可靠度问题，均必须进行各施工过程的结构验算和分析，用以指导施工和控制施工。为了确保结构在施工阶段全面受控，必须建立贯穿施工全过程的施工控制系统，以信息化施工为主要控制手段，并根据结构验算和分析结果，对结构温度、结构应力和变形的特征点进行施工监测。施工监测宜与结构的健康监测相结合。2.3.6
13、 选择合理的焊接工艺，确保超高空焊接质量钢结构外筒构件连接主要采用全位置等强对接焊，焊接要求高，焊接工作量大，焊接操作条件差。因此，选择合理的焊接手段、工艺参数和焊接工程的组织至关重要，事关结构施工质量和进度。而合理的焊接顺序对结构变形的控制亦不容忽视。2.3.7 钢结构与混凝土结构施工的合理搭接从底板施工起，钢结构即与混凝土结构交叉施工。而塔楼施工时混凝土核芯筒外所附的塔式起重机等施工荷载对混凝土的强度等有一定要求；钢管内浇筑混凝土和钢结构安装搭接穿插，相互间亦有影响，处理好钢结构与混凝土结构施工的合理搭接，亦是本工程施工有序进行的关键。2.3.8 塔顶钢结构转换层和天线桅杆的安装塔顶钢结构
14、转换层，构件布置较复杂且单件重量重，而在安装时，塔式起重机的起重量因超高而折减，结构安装的难度较大。天线桅杆长达 156m，又安装在 454m 的塔顶。如何充分利用塔吊进行桅杆的安装是可供的选择之一；提升或顶升工艺的采用仍不可避免。施工时桅杆的重心高于提升（顶升）点，在桅杆提升过程中如何保持垂直度，以及克服风荷载等是施工的关键。第三节 钢结构安装总体技术路线及总体施工流程3.1 安装总体技术路线根据本工程结构特点，作业环境，工期要求，资源配置情况，以及综合考虑了各种技术经济条件，在多方案比较的基础上，选择了如下的施工技术路线，其可表述为：1）塔楼安装以外挂内爬式塔吊和重型履带起重机为主要施工机
15、械，以每一环作为施工区段，根据起重能力和楼层（支撑）布置状况划分吊装单元，以楼层梁或临时支撑作为施工阶段外筒结构稳定构件，自下而上，柱、斜撑和环梁同步施吊，综合安装区段钢结构。2）测量在底板面及周边可通视区域建立平面和空间测量基准网，采用高精度全站仪及垂准仪沿混凝土核芯筒外壁垂直传递，建立测量中继站；以分段柱端中点及环梁与柱交点处设测点。通过两个测站互相测校，在避免环境因素影响的条件下进行每一组柱的精确定位；以液压千斤顶组进行构件校正纠偏，以临时装配板作临时固定，适时采用 GPS 定位系统进行定位复核。3）焊接以半自动焊为主，手工焊为辅，根据焊接规程和焊接工艺评定要求，按规定的焊接顺序，对称连
16、续施焊，严格控制焊接质量和焊接变形，及时进行焊缝的无损检测。4）安全设施以施工电梯为主，爬梯为辅进行垂直登高，以楼层梁，临时支撑及环梁作水平通道，每外筒节点分设三个可整体装拆全封闭作业平台，在适当的区域设置防坠隔离设施。5）天线安装改外挂内爬塔吊为外附自升塔吊，进行天线桅杆格构结构和临时辅助钢结构的安装，在格构结构内适当的部位分段组装实腹式天线段，设液压可调导轮导轨系统作导向及抗风纠偏装置，以钢绞线穿心式液压千斤顶为提升设备，由计算机多参数自动控制，实现实腹段天线的超高空连续提升、一次就位安装。6）结构施工验算及变形控制根据多种载荷条件及不同施工工况，采用两个以上的结构验算程序，进行结构内力和
17、变形计算，通过施工控制及信息化手段，指导安装全过程，对结构关键点进行温度、内力和变形的全过程监测，确保结构施工受控。3.2 关于钢结构安装总体技术路线的几点说明3.2.1 起重机械的选择和布置1）主要施工机械选择本工程选用 CC2000（300t）履带起重机两台和 M900D（1200tm）塔式起重机两台作为钢结构安装的主机。2）CC2000（300t）履带吊施工内容两台 CC2000（300t ）履带起重机沿 C 区外围0.000 标高处开行，与80t、150t 履带起重机配合，负责柱脚安装，C 区混凝土底板、核芯筒初始段的施工配合，塔吊安装；与 M900D（1200tm）塔吊配合，进行+1
18、00.000m 以下钢结构安装及其余钢结构构件的翻驳就位工作。3）CC2000（300t）履带吊开行区域的处理由于钢结构施工时，A 区地下室已施工至0.000 混凝土平台，故拟搭设专用钢栈桥，将 CC2000（300t ）吊车等施工荷载直接传递至底板上，基本上不影响混凝土结构的施工和受力。这种施工措施在其它工程中经常采用，技术上是成熟的。4）选用 CC2000（300t）履带吊的优点和多台外附式塔吊相比，采用 CC2000（300t ）履带起重机固然增加了搭设栈桥的代价，但“失之东隅，取之桑榆” ，将在钢结构安装过程中将得到补偿。首先由于 CC2000（300t）履带吊的起重能力大于重型塔吊，
19、且其沿周边开行，使作业半径大为减小，为最初几环钢外筒结构及楼层安装带来极大便利：柱子的分段重量可达 80t，减少钢柱的分段不仅可减少高空焊接和提高安装效率，而且大大简化了临时支撑和降低定位的难度；+27.600 至+32.800 米楼层有四榀钢桁架，单榀最重达 50 余 t，采用 CC2000（ 300t） 履带吊后，可实现整榀安装，而避免高空散装。采用 CC2000（300t ）履带起重机施工成本低于重型塔式起重机，可适当减少机械配置的数量，而且没有外附式塔吊因依附钢外筒所传递的施工荷载对钢结构变形控制带来的负面影响。采用CC2000（300t）履带起重机后，也使外挂于混凝土核芯筒的塔吊可以
20、从2000tm 降低至 1200tm，从而减小塔吊对混凝土核芯筒的施工荷载。5）塔吊施工内容两台 M900D（1200tm）外挂内爬塔吊负责塔楼除 CC2000（300t）起重机安装以外的其他所有钢结构。其中一台经置换成位于塔楼顶的自升式外附塔吊，负责天线桅杆的安装和配合工作。6）塔吊使用工况选择一般框筒结构的超高层建筑，其塔吊多以内爬形式设置，且借用核芯筒内电梯井筒居多。但本工程由于选用重型塔吊，其塔吊的固定和爬升净空要求大于核芯筒内电梯井的尺寸，勉强布置，将影响核芯筒结构的完整性和正常施工。由于核芯筒平面尺寸相对小(14m17m) ，即使能布置内爬塔吊，由于不满足两台塔吊同时作业的净距要求
21、而只能设置一台，这样又不满足结构安装的进度要求，内爬塔吊还不能满足塔顶天线桅杆结构的安装。而采用外挂内爬塔吊则能较好的解决内爬塔吊不能解决的矛盾，塔楼至顶均可保持两台塔吊同时作业，而且为塔吊的超高空转换提供了便利。外挂内爬的塔吊形式是塔吊设计和制造时的既有配置，但对混凝土核芯筒会产生不同于内爬时的施工荷载。为了确保核芯筒能满足外挂塔吊的要求，我们首先尽可能减小外挂塔吊对核芯筒的施工荷载。其一，在满足结构安装的条件下，尽量降低塔吊的起重能级（现为 1200tm） ；其二，减小塔吊的悬臂段长度（现控制在 28m 以内） ；其三，减小塔身与核芯筒外壁的距离（现控制在 3m 左右，兼顾核芯筒模板系统的
22、作业空间） ；其四，增大附墙支架的间距（一般塔吊支架间距 12m，现调整为 20.8m，相当四个楼层高度） ；其五，我们通过调整塔吊爬距（现控制在 10.4m，即 1/2 支架间距） ，使混凝土核芯筒与钢结构安装高度之差控制在 2535m 。按照这一爬距进行爬升，可以使其中一台位于同一环低端的塔吊始终处于被安装结构的上面，这样，在爬升至细腰段进行钢结构安装时，有效避免由于钢外筒距离核芯筒较近而产生的相碰问题；而位于同一环高端的塔吊位置虽然低于被安装钢结构，但是这一区域的钢外筒与核芯筒有一定距离，不会产生相碰情况。施工至细腰处时的塔吊立面和平面位置如下图所示：图 3.1.3.1 细腰段时塔吊立面布置图
