在中國城市經濟發展的推動下，各大城市正在建設更多的高層建筑，這些建筑基本都選擇了鋼結構體系，高層建筑結構，一般采用框架-核心筒-伸臂桁架結構體系，其中框架一般由巨型柱和環帶桁架組成，部分項目設置有巨型支撐。

上海中欣大廈(圖1)采用巨型框架-核心筒-外伸臂結構體系，在8個機電層區布置6道兩層高的外伸臂桁架和8道箱形空間環形桁架，由箱形空間環形桁架和巨型柱形成外圍巨型框架。巨型柱、角柱間的環帶桁架是一整體結構，徑向桁架、樓面梁上的受力傳遞其上，再由其傳遞至巨型柱。

深圳平安中欣大廈(圖2)，采用巨型斜撐框架-核心筒-外伸臂結構體系。結構設置了4道外伸臂桁架，將核心筒與巨型柱有效地連接在一起。7道空間雙桁架均勻布置于每個避難/機電層，用于連接巨型柱，使結構的外圍形成巨型框架。

北京中國尊大廈(圖3)采用巨型框架+混凝土核心筒(型鋼柱+鋼板剪力墻)結構體系，4根世界大的多腔體巨型鋼柱與翼墻、核心筒鋼板墻等1.3萬t鋼構件一起，共同托起528 m的中國尊大廈。

2 巨型柱的結構形式及加工難點

高層建筑鋼結構的鋼柱一般設計為整體式巨型柱(如上海中欣大廈、深圳平安金融中欣，圖4)和多腔型巨型柱(如天津高銀117大廈、北京中國尊，圖5)。

高層建筑鋼柱的截面根據受力要求，可設計為H型、箱型、日字型、田字型、王字型以及異形(巨型)柱。這部分鋼柱一般要求在工廠加工成整體出廠，其中巨型柱的裝配、焊接及尺寸控制難度較大[3]。

整體式巨型柱的加工難點：1)巨型柱外形尺寸大、重量重，整體結構形式復雜，拼裝順序要求高；2)鋼板強度高、厚度大，焊接質量和焊接變形控制難度大；3)上、下節柱間拼接接口多，鋼板對口錯邊和端口垂直度要求高。

多腔體超厚板組合型巨型柱是在普通箱型-混凝土柱基礎上發展起來的一種新型構件，目前已成功運用于天津高銀117大廈和北京中國尊等項目。多腔型巨型柱一般位于建筑物平面四角并貫通至結構頂部，其截面按照結構構造要求設計為多腔體形式。

多腔型巨型柱的加工難點：1)多腔柱截面尺寸大、無法整體制作出廠，須分段、分塊加工；2)鋼板壁厚厚、構造復雜，裝配精度要求高；3)焊縫數量多，且多為全熔透焊縫，不僅焊縫截面大，且焊縫交匯多，容易形成較大的焊接應力和焊接變形[1]；4)現場施工的橫向和縱向拼接焊縫多，出廠定位尺寸精度要求高，需要進行工廠預拼裝。

3 巨型柱加工技術

3.1 整體式巨型柱加工技術

3.1.1 整體式巨型柱概況

上海中欣大廈結構平面布置見圖6，在核心筒外的環形周邊上分布8根大截面的SC1巨型柱和4根大截面SC2巨型柱。在結構沿高度方向巨型柱被劃分為桁架節點段柱和非桁架節點段柱[4]。

3.1.2 巨型柱規格

SC1巨型柱截面由3個H型鋼與4塊鋼板焊接而成，凈重達77.62 kN/m。典型巨型柱截面尺寸見圖7及表1。

3.1.3 標準段巨型柱的制作

1)設置工藝隔板，保證整體裝配尺寸。

巨型柱的標準段(圖8)占上海中欣大廈主體結構重量的30，在標準段制作中，通過設置工藝隔板的方法保證裝配尺寸精度、控制焊接變形。

工藝隔板的長度、寬度下料尺寸比箱體內腔尺寸小60 mm，并安裝頂置塊，頂置塊與箱體的接觸邊應進行銑削(圖9)。設置頂置塊的目的是在保證裝配精度的前提下，方便工藝隔板的拆卸，從而使工藝隔板可反復利用，降低成本。

巨型柱的H型鋼本體分別加工完成且尺寸檢驗合格后，在總裝胎架上依次進行H型鋼、工藝隔板、兩側腹板、上部H型鋼的裝配，直至完成巨型柱的整體裝配(圖10)。

2)優化焊接工藝和設備，確保焊接質量，控制焊接變形。

a.焊縫坡口：巨型柱雙腹板坡口方向的內側為大坡口，外側為小坡口。

3.2.3 多腔柱分段的制作

c.焊接位置及順序：焊接時采取巨型柱平放的位置，并通過框架對巨型柱進行翻身；按圖12所示的順序實施巨型柱本體焊縫打底、填充、蓋面焊接。內側焊縫打底完畢，外側清根，并且采用氣體保護焊進行焊接，焊接完畢，拆除內部工藝隔板。實施內部焊縫的埋弧焊。焊接時，先焊中間焊縫，后焊兩側焊縫，同時、同方向、同規范對稱焊接。

3)端面加工。

通過端銑，控制巨型柱的垂直度和端口平面度。

3.2 多腔型巨型柱加工技術

3.2.1 多腔柱概況

中國尊項目的多腔箱型巨型柱位于塔樓平面四角，底部柱截面面積約63.9 m2，截面尺寸為13 707 mm×6 190 mm，鋼板厚度大為60 mm，材質主要為Q390、Q390GJ、Q345、Q345GJ[5]。

多腔柱內部截面復雜，由13個封閉箱體組成，整根多腔柱連接接口多，上下節柱水平對接接縫20條，長度約70 m。

3.2.2 合理分段

整根多腔柱總重量近1 500 kN，根據結構形式、加工工藝和現場施工要求，將整根多腔柱拆分為4個相對獨立的鋼柱，由2個不規則田字型鋼柱和2個H型鋼柱共4部分組成(圖13)[6]。

針對東北地區多年未發生大洪水，一些地方干部群眾抗洪搶險經驗不足、技術力量薄弱的情況，國家防總先后派出36個工作組、專家組趕赴一線指導，直到退至警戒水位后才全部撤回。國家防總商財政部安排三省（自治區）特大防汛經費5.67億元；從全國19個物資儲備倉庫和16個省（自治區、直轄市）以及7家生產企業，向三省（自治區）緊急調運了價值1.08億元的抗洪搶險物資。

以不規則田字型柱段為例，其制作裝配流程見圖14。

由于田字型柱截面較大，裝配時在水平胎架上進行，嚴格控制面板、腹板間的組裝尺寸及垂直度。為保證裝配精度和控制焊接變形，同樣采用工藝隔板進行控制。由于多腔柱腔體截面尺寸較大，工藝隔板采用鋼板條拼制的形式。

3.2.4 焊接工藝

針對多腔巨型柱內部結構復雜、焊接要求高的特點，制定詳細焊接工藝。

1)焊接坡口。

根據每條焊縫的具體位置、板厚、角度，分別制定相應的焊接坡口(圖15)和內外焊接順序。

2)焊接順序。

焊接時，嚴格按照指定的焊接順序施焊，見圖16。為減少焊接變形，施焊可采用分段退焊、分段跳焊等方法進行。雙人同時對稱焊接時，要保證焊接工藝參數及施焊方向一致。

3)特殊措施。圖16中的右側焊縫③，由于空間位置狹小，無法焊接。制作時才要將下部橫隔板分段，待焊縫③焊接完畢，探傷合格后，再裝配斷開橫隔板的部分并焊接，從而保證整體焊接質量滿足設計要求。

3.2.5 端面加工

由于多腔柱整體截面較大，只能將各分段分別進行端面銑削加工；各分段進行端面銑平時，應對構件固定牢固，并控制自身水平度以及與端銑機之間的垂直度，端面的銑平精度應控制在0.5 mm內[7]。

4 計算機模擬預拼裝技術

出廠前對構件進行整體預拼裝是對構件尺寸檢驗的方式。但由于高層建筑的巨型柱，特別是多腔巨型柱外形尺寸較大，進行實體預拼裝存在場地、周期、成本等各方面問題[8]。為解決超大構件預拼裝問題，通過專用軟件開發，研究了一整套計算機模擬預拼裝方法[9]。

計算機模擬預拼裝方法步驟如下：

1)從設計模型中確定需要預拼裝構件的整體范圍，并對參與預拼裝構件現場拼接接口的控制點進行選擇、編號、給出理論坐標，形成構件測量檢查記錄表。

2)對構件的安裝控制點進行測量，并將測量數據導入專用軟件。

3)通過專用軟件的坐標體系轉換，對構件實測的控制點坐標與理論模型坐標進行匹配，由軟件自動給出匹配偏差，并標注大于允許偏差的位置點。對超差的構件進行矯正并重新測量，直至合格。

4)通過軟件，將全部單根構件的實測數據坐標模型進行模擬預搭載，對接口控制點坐標數據進行自動匹配，并給出匹配偏差。當控制點匹配數值超過現場安裝的允許偏差時，即需要對構件進行矯正，從而達到預拼裝的目的。

5 結束語

1)通過對高層建筑鋼結構的結構形式、構件類型進行分析，分別總結了高層鋼結構中常見的典型巨型柱的結構形式及技術難點。

2)巨型柱是高層建筑鋼結構中典型的受力構件，通過適當分段、合理控制裝配工藝、整體預裝檢驗等措施，可以有效保證結構件的加工質量。

3)由于高層建筑鋼結構的外形尺寸較大，實體預拼裝檢測困難，通過計算機模擬預拼裝技術，在保證構件質量控制的基礎上，可有效解決實體預拼裝的工期、成本等問題。

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