1.前言
劲性柱是型钢外面包混凝土的构件组成的结构，一般广泛应用于大型结构中，力求截面最小化，承载力最大，来节约空间。常见的一般有H型钢劲性混凝土、十字钢柱混凝土、圆钢柱混凝土等，一般在钢柱上焊上铆钉浇注。它与传统钢筋混凝土柱相比，具有截面尺寸小、承载力高、整体刚度好、抗震性能显著等优点。
2.工程概况
苏州龙湖狮山天街五期位于苏州市高新区塔园路与金山路交叉口西南侧，项目建筑整体由两部分组成，分别为塔楼及裙房，塔楼为46层，裙房为4层，地下室3层，地上建筑总高度212.5m、裙房26.0m、地下三层-12.80m，总建筑面积112508.70m2，是一栋集办公、酒店、商业于一体的智能型、人性化、环保型的大型超高层建筑。
本工程结构形式为核心筒+劲性柱，核心筒内11根H型钢柱，标高-12.8m～26.3m（图1），四周16根十字钢骨柱，标高-12.8m～93.57m，局部114.5m（图2），用钢量达到1731t，所有钢柱焊接栓钉，钢板材质为Q345B。由于塔吊吊重及钢柱支撑高度限制，钢柱分段制作，现场对接安装，对接采用全熔透等强焊接。
图1 H型钢标高及三维模型示意图
图2 十字型钢标高及平面示意图
3.施工重点和难点
3.1测量工作
轴线及标高测放要求高，高空焊接作业量大，施工中确保型钢柱的施工精确度，否则会造成诸如钢柱偏位、梁筋墙筋无法通过等问题，导致返工，严重影响施工质量和进度，此外，施工场地上工种多，交叉作业频繁、受干扰多也是测量工作的难点。
3.2型钢柱制作
本工程的劲性柱为十字柱、工字钢柱两种。其制作工艺复杂，在组装和焊接过程中，如果不注意组装流程和焊接顺序，将很容易产生变形，且变形很难进行矫正。
3.3劲性柱结构施工
劲性混凝土柱中，型钢柱与钢筋的相交点多，钢柱与柱周主筋、箍筋的关系，钢柱与通过钢柱的水平梁钢筋、墙体水平筋的关系成为处理的重点。
混凝土框架柱及混凝土剪力墙暗柱中加入型钢柱，比常规钢筋绑扎、模板支设等施工工艺难度大，施工中应重点控制钢筋绑扎质量及模板安装质量和混凝土浇筑质量。
4.施工准备
4.1焊接施工操作人员准备
从事焊接作业的人员，从工序负责人到作业班组长乃至具体操作的施焊人员和无损检测人员，都须为持证人员和曾从事过类似工程施工的人员。辅助工也须通晓焊接作业平台的具体搭设方法、顺序和搭设所需的时间，从而准备好焊前工作、做好过程辅助工作及焊后清理工作，从人员组织上做好保障。
4.2原材准备
地脚螺栓：11根H型钢柱每根设6根M30锚栓，16根劲性柱每根设12根M30锚栓，共计258根。
灌浆料：用于钢柱底部填充，用量5吨，灌浆料需要检测 告合格才能使用。
CO2气体保护焊ER49-1焊丝：劲性柱焊接一圈大致消耗1.2卷。
J507型焊条：一般用于初步临时固定用。
钢柱：本项目塔楼部分主要用到中厚板，11根H型钢柱和16根劲性柱，对每根钢柱进行分段，对每段长度和重量进行统计，钢柱共计1721吨。
4.3机械准备
吊运机械：TC7530塔吊、TC6015塔吊、QY25汽车吊
运输机械：重型平板车车一台，运输钢柱
操作机械：PC200镐头机一台，破碎钢柱与栈桥板冲突部位
小型机具：千斤顶、撬棒、测量仪器（全站仪、水准仪）、氧气瓶、乙炔瓶、直流电焊机、CO2焊机、CO2瓶、气割枪、电焊钳、焊条保温桶、熔焊栓钉机、磨光机
4.4技术准备
5. 施工工艺流程
5.1首节安装
地脚螺栓预埋及定位→底板混凝土浇筑→栈桥板与钢柱冲突位置破碎→钢柱工厂加工制作并焊缝检测→破撑前成品保护及支撑破碎→安装前标高测量→塔吊吊运钢柱与地脚螺栓对接→千斤顶调整→仪器垂直度校核→垫片螺母安装完成→钢柱底部灌浆→钢筋绑扎→模板安装→混凝土浇筑
图3 地脚螺栓焊接定位
图4 栈桥板与钢柱冲突位置破碎
图5 工厂焊缝检测
图6 破撑前成品保护及支撑破碎
图7 安装前标高测量
图8 塔吊吊运钢柱与地脚螺栓对接
图9 千斤顶调整
5.2钢柱拼接
钢柱吊运→耳板螺栓临时固定→仪器校正→校正完临时固定并焊接→翼板腹板焊接完成后耳板割除→焊缝探伤检测→钢筋绑扎→模板安装→混凝土浇筑
图10 耳板螺栓临时固定
图11 校正完临时固定焊接
图12 现场焊缝探伤检测
6.施工要点
6.1型钢柱制作
6.1.1焊接材料要求及焊缝要求
本工程劲性柱钢骨和其连接板材钢材均采用Q345B结构钢，钢材应保证化学成分、屈服点、抗拉强度、伸长率、V形缺口冲击韧性、冷弯性能满足《低合金钢》（GB/T700)的要求，钢材屈强比应大于等于1.2。
工厂焊接采用自动焊接，焊丝的性能须符合《熔化焊用钢丝》GB/T 14957的规定，焊丝均应与主体金属强度相适应。
6.1.2加工流程
图13 加工流程图
6.1.3劲性十字柱组装
（1）胎架要求必须牢固，不得有明显的晃动。胎架模板要求水平，其水平度不得超过1mm。胎架定位靠山要求组装后水平，其水平度不得超过1mm。
（2）将检验合格的工字钢吊上胎架，在其腹板上划出T型钢的定位位置线，做为安装检验的基准。并在地上划出钢柱的轮廓线、中心线以便于安装检验。
（3）吊上T型钢，安装在预定位置，定位时先从端部开始定位。面板采用千斤顶顶紧到位，腹板由于操作空间较小，不宜采用千斤顶进行操作，因此采用定位卡码。定位时采用Φ3.2/J507的焊条进行定位点焊，必须由持焊工合格证的工人施焊。点焊高度不宜超过设计焊缝厚度的2/3，点焊长度为50-60mm，间距为300—400mm。安装时必须保证T型钢的垂直度及直线度。
（4）为防止焊接收缩引起两端截面变形，十字柱组立时，应在两端设置具有一定刚性的支撑板。
图14 十字型钢的组装胎架图
6.1.4劲性十字柱焊接
（1）检验合格后进行焊接，十字型柱的十字形焊缝的焊接采用门型埋弧自动焊，加长导电嘴，船形焊位置焊接。焊接时在专用船形胎架上进行，胎架每隔1.5-2m进行设置，胎架如下图所示：
图15 专用船形胎架
（2）根据十字柱焊缝的结构形式，为了控制焊接过程中的变形，要遵守焊接顺序，焊接顺序如下：
图16 焊接顺序图
（3）清理焊缝后，焊接整条连续的埋弧焊缝，对焊缝进行二层焊接，每层焊完后，应严格清理层与层之间的焊渣以及焊接缺陷，缺陷处应及时用打磨进行补焊。
（4）温度控制在150~200℃范围内，超过200℃应停止焊接，冷却10～20分钟后再进行焊接以减少变形，焊接过程中应随时检查十字柱的变形情况，利用后续焊接来调整十字柱的变形。
（5）冷却后割去引出板及引弧板，并打磨。
（6）对于十字柱的变形应进行矫正，采用火焰矫正，其温度值应控制在750～900℃之间，同一部位加热矫正不得超过2次，矫正后，应缓慢冷却。
（7）检出的超差缺陷，用碳弧气刨进行铲除，打磨。然后用气保焊或手工电弧焊焊后进行清理、打磨。
6.1.5栓钉焊接
（1）栓钉焊接方法
栓钉焊接方法 表1
图17 栓钉焊接示意图
（2）栓钉焊施工要点
①焊接区钢板上保持干净、干燥，按照施工图弹出焊接位置标距线等。
②栓钉焊接开工前，应根据栓钉材质，钢板厚度和材质等，按规范进行栓钉穿透焊接工艺评定试验，合格后方能进行栓钉焊接。
④禁止使用受潮瓷环，瓷环应在烘箱中烘烤至1000℃后使用。
⑤栓钉焊后要逐个进行外观检查，焊缝360°饱满才认为可以接受，若不合格可采取手工电焊补焊，并且对已焊栓钉用小锤锤击打弯30°进行抽检，根部要求无裂纹。
⑥栓钉表面如有锈蚀，需除锈后方可使用（尤其是栓钉头和大头部不可有锈蚀和污物），严重锈蚀的栓钉不能使用。
6.2现场测量
现场测量的主要内容是控制网复核和钢柱施工控制网的建立；地脚螺栓预埋件定位、标高复测；钢柱吊装过程中的测量监控；
钢柱安装在土建施工满足预埋件安装条件后进行，整个钢柱结构体系通过预埋件与土建结构形成统一整体。在钢柱安装前期测量准备时，确立与土建施工统一的参考坐标系至关重要。
地脚螺栓预埋是型钢柱安装的关键，因此，底板钢筋绑扎过程中，型钢柱地脚螺栓应及时预埋，采用定位板进行定位，并且用钢筋焊接进行限位，项目部积极组织技术人员对于地脚螺栓的预埋位置进行复核，确保预埋精确到位。
吊装过程中钢柱调整采用螺栓调节，在钢柱相互垂直的两个方向设2台经纬仪，观测钢柱垂直控制线校正结果，使钢柱的垂直度、标高、错边误差符合规范要求。
图18 钢柱校正
图19 地脚螺栓复核
6.3现场焊接
钢柱之间采用等强焊缝的坡口对接，焊缝间隙10mm，坡角30。工地拼结接头为二级，其余熔透焊为二级，半熔透焊缝及角焊缝为三级，但外观质量应符合二级要求，现场焊接质量控制见表。
焊接采用CO2气体保护焊，焊丝直径1.2mm。钢柱焊接时必须按“先翼板后腹板，同时对称逆向施焊”的原则进行，每根柱派2名焊工同时焊接，焊接速度应保持一致，焊速350-450mm/min。
施焊时，第一层的焊道应封住坡口内母材与垫板的连接处，然后逐道逐层累焊至填满坡口，每焊完一道焊缝均应清理铲磨。每道焊接层间温度控制在50-80OC，温度太低时重新预热，太高时应暂停焊接。一个接口必须连续焊完，若必须中途停焊时，再焊前应重新预热。
焊接完成后，及时敲除焊渣，检查焊缝质量，并请专业检测单位到现场随机抽查20%焊缝进行无损探伤，无损探伤合格后方可开始下一道工序施工。
焊接质量控制表 表2
6.4钢筋绑扎
上述型钢柱施工工作全部完成并且检测合格之后，施工人员开始对钢筋分项工程展开施工。型钢柱柱周纵筋最大C32，与柱相交的梁主筋直径达C28，绑扎柱钢筋时，钢筋工先套箍筋，箍筋套好后进行直螺纹套筒连接，大直径钢筋要控制好露丝，场地狭小以及多专业同时进行施工给钢筋绑扎增加了难度。
如果钢柱深化不到位，会存在柱纵筋与梁拖连接板相碰、连接板长度不够、连接板标高与梁筋标高不匹配的情况，所以在前期深化设计的时候尽量做到一次成优。现场管理人员需加强对柱筋双向拉钩缺失的管理，梁主筋与梁拖板焊接时，单面焊接10d，双面焊接5d。悬挑梁钢筋与型钢柱对接部位因二排三排钢筋在牛腿部位无法直接焊接，且钢筋无法满足弯锚长度，后优化为水平加腋做法。
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