CN116446530B - 一种高层伞形偏心悬挑钢结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高层伞形偏心悬挑钢结构及其施工方法，包括设置于地面基座上的塔楼钢结构主体，塔楼钢结构主体包括固定在基座内预埋件上的支撑部及位于支撑部上的悬挑部，支撑部包括内筒和外筒，内筒位于外筒内部，外筒周向向外延伸形成伞形的悬挑部，悬挑部呈偏心设置，悬挑部上方设有与内筒连接的支撑平台，支撑平台上方设有倾斜的顶板，内筒上端贯穿顶板，基座上设有与支撑平台连通的人行通道，内筒与外筒之间固定有可到达支撑平台的旋转楼梯。本发明结构承载能力强，结构强度和刚度有保障，安装效率高，降低了施工中的安全隐患。

Description

一种高层伞形偏心悬挑钢结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及偏心钢结构施工技术领域，具体涉及一种高层伞形偏心悬挑钢结构及其施工方法。

背景技术

随着科学技术、建筑设计的不断发展，人们对建筑造型、功能的要求越来越高，为了满足这些需求，一些异形、曲面的新型悬挑钢结构体系逐渐进入人们的视野。

在实际工程中，悬挑环状钢结构，特别是悬挑偏心环钢结构这种特殊造型的建筑已逐步走进人们的视野，但具有上述特殊造型的钢结构的整体建筑尺寸通常较小(10米以内)，因此不用考虑其结构体内预应力的问题，结构强度和刚度、变形挠度等方面都很容易满足工程要求。但当悬挑偏心环钢结构尺寸变大，特别是悬挑长度变长时，整体钢结构属于高层，便要对整个钢结构体内预应力、结构强度和刚度、变形挠度、安装等问题进行全面考虑，否则结构会存在很大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高层伞形偏心悬挑钢结构及其施工方法，此高层伞形偏心悬挑钢结构使得异性、大尺寸高层悬挑钢结构的结构承载能力强，结构强度和刚度有保障，安装效率高，降低了施工中的安全隐患。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下方案：

一种高层伞形偏心悬挑钢结构，包括设置于地面基座上的塔楼钢结构主体，塔楼钢结构主体包括固定在基座内预埋件上的支撑部及位于支撑部上的悬挑部，支撑部包括内筒和外筒，内筒位于外筒内部，外筒周向向外延伸形成伞形的悬挑部，悬挑部呈偏心设置，悬挑部上方设有与内筒连接的支撑平台，支撑平台上方设有倾斜的顶板，内筒上端贯穿顶板，基座上设有与支撑平台连通的人行通道，内筒与外筒之间固定有可到达支撑平台的旋转楼梯。

由于采用上述技术方案，本方案是一种高层的偏心结构，其由内筒、外筒及支撑平台设计提高了自身结构承载力，可有效避免悬挑部的前部发生变形，确保了结构强度和刚度，使得整个结构的变形挠度符合工程要求。在本发明中，支撑平台很好地改善了结构的受力状态，支撑平台与悬挑部采用拉杆连接，支撑平台上方又设置了顶板，顶板、支撑平台均位于单个塔楼中心位置，这样顶板、支撑平台很好的平衡了整个塔楼的重心，增加了结构的刚度和安全。

可选的，所述内筒为由多根箱型钢柱组成的密柱框筒结构，外筒为由多根箱型钢柱斜交组成的四边形网格结构，外筒、内筒均通过柱脚板与预埋件连接。

可选的，所述预埋件包括地脚螺栓及支撑钢支架，地脚螺栓安装于支撑钢支架四个边角处，支撑钢支架与基座内的钢筋焊接。

可选的，所述悬挑部由重心逐渐向外偏移的第一段、第二段、第三段、第四段连接而成，第一段由多个倒V形构件倾斜固定在外筒顶端周向，第二段由多个第一X形构件倾斜固定在第一段顶端周向，第三段由多个第二X形构件倾斜固定在第二段顶端周向，第四段由多个第三X形构件倾斜固定在第三段顶端周向，倒V形构件、第一X形构件、第二X形构件、第三X形构件与水平面的夹角逐渐减小。

可选的，所述悬挑部与支撑平台之间通过若干的柱形拉杆支撑连接，顶板与支撑平台之间呈环形分布若干的支撑柱，顶板中部具有允许内筒通过的孔道。

可选的，所述人行通道包括多个桥墩、走道骨架及若干走道板，桥墩与基座上的预埋板固定连接，桥墩呈Y形，任意相邻两桥墩之间设有加强杆，走道骨架呈倾斜的曲线形设置在各桥墩上，走道板铺设在走道骨架上，走道骨架边沿设有护栏；人行通道包括栈道和连桥，连桥用于连通多个塔楼钢结构主体的支撑平台，栈道与连桥连通且用于行人从地面通向连桥上。

可选的，所述基座侧壁上还设有雨棚，所述雨棚包括曲线形的网格状的支撑骨架及铺设在支撑骨架上的PC板，支撑骨架包括边梁、连接杆和支杆，边梁与基座上的预埋块连接，连接杆沿着边梁延伸的方向分布，任意相邻两连接杆之间设有至少一根支杆，支杆与连接杆相互交叉构成网格状。

一种高层伞形偏心悬挑钢结构的施工方法，包括以下步骤：

S1：施工区域内开挖设计尺寸的基坑，绑扎适配钢筋笼置于基坑内，安装有地脚螺栓的支撑钢支架根据设计要求焊接于钢筋笼内，地脚螺栓外漏的螺纹部分缠绕保护层，浇筑混凝土形成基座；

S2：设置起重吊机的放置区域，先将分段的内筒依次吊至基座上与预埋件连接，并安装旋转楼梯；

S3：再将分段的外筒依次吊至基座上与内筒外侧的预埋件连接，外筒套设在内筒外部，外筒的安装高度与内筒的安装高度相同；

S4：接着继续安装内筒至设计标高位置；

S5：在外筒上端周向连接多个倒V形构件，多个倒V形构件朝外倾斜设置并构成悬挑部的第一段，每个倒V形构件与内筒之间拉结有临时支撑；

S6：在第一段上端周向连接多个第一X形构件，多个第一X形构件朝外倾斜设置并构成悬挑部的第二段，且倾斜角度大于倒V形构件的倾斜角度，每个第一X形构件与内筒之间拉结有临时支撑；

S7：在第二段上端周向连接多个第二X形构件，多个第二X形构件朝外倾斜设置并构成悬挑部的第三段，且倾斜角度大于第一X形构件的倾斜角度，每个第二X形构件与内筒之间拉结有临时支撑，相邻两第二X形构件的上端、下端均通过圆管柱梁连接，第三段呈蜗壳状；

S8：沿着第三段上端边沿位置连接若干拉杆，每根拉杆的倾斜角度各不相同，若干拉杆上搭设支撑平台；

S9：在第三段上端周向连接多个第三X形构件，多个第三X形构件朝外倾斜设置并构成悬挑部的第四段，且倾斜角度大于第二X形构件的倾斜角度；

S10：支撑平台顶面呈椭圆形分布多个支撑柱，多个支撑柱顶部倾斜安装顶板；

S11：拆除悬挑部与内筒之间的临时支撑；

S12：安装栈道、连桥及雨棚，施工完毕。

可选的，在对内筒、外筒进行安装时，需要对内筒的钢柱、钢梁的安装定位测量以及对外筒X形构件的钢柱定位测量，同时，根据塔楼钢结构主体的施工步骤，选取关键步骤进行施工模拟分析，施工模拟分析采用MIDAS进行分析，监测安装时钢结构的变形量是否在设计范围内。

可选的，按照塔楼钢结构主体各层结构逐步施工完成，以层划分施工区域，从下至上依次交叉进行现场防腐涂装施工，每个施工区域在立面从上至下逐层涂装，在平面上从中间向两边方向进行涂装。

本发明具有的有益效果：

1、本发明中，高层伞形偏心悬挑钢结构为一种大尺寸悬挑的异型钢结构，其由内筒、外筒及支撑平台设计提高了自身结构承载力，可有效避免悬挑部的前部发生变形，确保了结构强度和刚度，使得整个结构的变形挠度符合工程要求。在本发明中，顶板、支撑平台结合很好地改善整个塔楼结构的受力状态，增加了结构的刚度和安全。

2、本发明施工方法快速、便捷，安装精度易把控，施工质量有保障，确保了高层伞形偏心悬挑钢结构的承载能力、结构强度与刚度，特别适用于在地形复杂有限，甚至是周边无支撑建筑结构的基础上实施。

附图说明

图1为本发明正视结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为本发明中单独一个塔楼钢结构的立体结构图；

图4为本发明的剖面结构图；

图5为图1中A处的局部放大图；

图6为标高下直筒段安装完成后变形值图；

图7为内筒段全部安装完成后变形值图；

图8为外筒向上倒V形构件安装完成后的变形值图；

图9为外筒上第一X形构件安装完成后的变形值图；

图10为外筒上第二X形构件安装完成后的变形值图；

图11为拉杆安装完成后的变形值图；

图12为支撑平台安装后的变形值图；

图13为第三X形构件安装完成后的变形值图；

图14为顶板安装完成后的变形值图；

图15为临时支撑拆除后的变形值图；

图16为浇筑混凝土后的变形值图；

图17为本发明的安装示意图；

图18为箱型钢柱装配图；

图19为钢柱轴线偏差测量示意图；

图20为焊缝监测示意图；

图21为焊接变形对钢柱垂直度偏差影响示意图；

图22为倾斜钢柱的倾斜度及轴线测量示意图；

图23为人行通道与桥墩的装配示意图；

图24为加强杆与桥墩的装配示意图；

图25为临时支撑与X形构件的连接示意图；

图26为X形构件的结构图；

图27为倒V形构件的结构图。

附图标记：1-支撑部，101-外筒，102-内筒，2-悬挑部，3-支撑平台，4-顶板，5-人行通道，51-栈道，52-连桥，6-旋转楼梯，7-基座，8-支撑柱，9-拉杆，10-雨棚，11-桥墩，12-倒V形构件，13-第一X形构件，14-第二X形构件，15-第三X形构件，16-箱型钢柱，17-耳板，18-加强杆，19-走道骨架，20-马板，21-千分表，22-边梁，23-连接杆，24-支杆，25-预埋件。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“开有”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接 ，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

一种高层伞形偏心悬挑钢结构，包括设置于地面基座7上的塔楼钢结构主体，塔楼钢结构主体包括固定在基座7内预埋件25上的支撑部1及位于支撑部1上的悬挑部2，支撑部1包括内筒102和外筒101，内筒102位于外筒101内部，外筒101周向向外延伸形成伞形的悬挑部2，悬挑部2呈偏心设置，悬挑部2上方设有与内筒102连接的支撑平台3，支撑平台3上方设有倾斜的顶板4，内筒102上端贯穿顶板4，基座7上设有与支撑平台3连通的人行通道5，内筒102与外筒101之间固定有可到达支撑平台3的旋转楼梯6。

本实施例中，如图1-4所示，包括三个高度不等的塔楼钢结构主体，三个塔楼的结构都是相同的，三个塔楼根据设计图纸设置在指定的基座7上，三个塔楼均是包括支撑部1、悬挑部2，支撑部1与基座7内的预埋件25连接固定，基座7是钢筋混凝土浇筑而成，预埋件25是浇筑混凝土之前预埋在内部的钢结构部件，其与支撑部1底部是适配的，支撑部1主要包括内筒102以及套在内筒102外部的外筒101，内筒102、外筒101是同心环状分布，内外筒101之间通过钢柱连接有旋转楼梯6，旋转楼梯6沿着内外筒101长度方向向上呈螺旋形分布，为了加强内外筒101之间的稳定性，在内外筒101之间还连接有钢柱，外筒101、内筒102安装到设计高度后，将悬挑部2逐级安装在外筒101的周向，悬挑部2形成扇形的偏心结构，悬挑部2的重心是位于外筒101重心外侧，在悬挑部2上方固定有支撑平台3，支撑平台3通过钢柱与内筒102连接，支撑平台3上方固定有顶板4，内筒102向上贯穿顶板4，在基座7上搭设有人行通道5，人行通道5根据设计方案向支撑平台3延伸，支撑平台3周向固定有护栏，支撑平台3的重心与外筒101、内筒102重心重合，塔楼钢结构主体由内筒102、外筒101及支撑平台3设计提高了自身结构承载力，可有效避免悬挑部2的前部发生变形，确保了结构强度和刚度，使得整个结构的变形挠度符合工程要求。在本发明中，支撑平台3很好地改善了结构的受力状态，支撑平台3与悬挑部2采用拉杆9连接，支撑平台3上方又设置了顶板4，顶板4、支撑平台3均位于单个塔楼中心位置，这样顶板4、支撑平台3很好的平衡了整个塔楼的重心，增加了整个塔楼结构的刚度和安全。

进一步的，所述内筒102为由多根箱型钢柱16组成的密柱框筒结构，外筒101为由多根箱型钢柱16斜交组成的四边形网格结构，外筒101、内筒102均通过柱脚板与预埋件25连接。具体的，内筒102是上下等径的镂空筒状结构，内筒102是分段连接构成的，每段均是由多根箱型钢柱16圆周分布而成，相邻两钢柱之间连接有弧形的钢柱，使得内筒102形成密柱框筒结构，箱型钢柱16就是截面基本为正方形的方通柱，钢柱两端周向焊接有多个耳板17，耳板17上设有螺栓通过的孔道，钢柱之间是通过对应耳板17对其后，在通过螺栓穿过孔道将两钢柱连接牢固，耳板17数量根据钢柱连接端的实际位置调整。外筒101也是上下等径的镂空筒状结构，其圆周向是由若干的箱型钢柱16斜交组成的四边形网格结构，在等间距的圆周向上，网格的交叉点之间连接有弧形的钢柱，增强外筒101的整体支撑强度以及横向的抗拉强度，避免散架，外筒101的箱型钢柱16为扁通钢柱，扁通柱的截面是矩形状，外筒101、内筒102都是通过适配强度的螺栓与柱脚板连接，柱搅拌再与预埋件25固定连接，柱脚板就是现有的钢板，其与预埋件25适配。

进一步的，所述预埋件25包括地脚螺栓及支撑钢支架，地脚螺栓安装于支撑钢支架四个边角处，支撑钢支架与基座7内的钢筋焊接。具体的，支撑钢支架是由角钢板焊接而成的矩形框状结构，其尺寸与柱脚板的尺寸相同，在支撑钢支架顶面四个边角处设有用于地脚螺栓穿过的定位孔，地脚螺栓上端延伸至基座7外部用于连接柱脚板，通过螺母锁紧固定，地脚螺栓下端与支撑钢支架焊接固定，支撑钢支架是建筑行业常用的预埋件25。

进一步的，所述悬挑部2由重心逐渐向外偏移的第一段、第二段、第三段、第四段连接而成，第一段由多个倒V形构件12倾斜固定在外筒101顶端周向，第二段由多个第一X形构件13倾斜固定在第一段顶端周向，第三段由多个第二X形构件14倾斜固定在第二段顶端周向，第四段由多个第三X形构件15倾斜固定在第三段顶端周向，倒V形构件12、第一X形构件13、第二X形构件14、第三X形构件15与水平面的夹角逐渐减小。

具体的，悬挑部2主要由四段构成，每一段都是环形的偏心结构，其中心依次往外移，内筒102、外筒101均安装到设计高度后，整个支撑部1编安装完成，此时开始安装悬挑部2，悬挑部2的第一段是由若干的倒V形构件12构成，如图27所示，倒V形构件12是由两钢柱螺栓连接而成，钢柱的端部是设有耳板17，用于钢柱之间相互连接，倒V形构件12的底端与外筒101螺栓连接，倒V形构件12沿着外筒101顶端周向向外倾斜分布，如图25所示，第一段与内筒102之间设置圆钢的临时支撑（临时拉杆9），为第一段提供向内的拉力；如图26所示，第二段是由若干的第一X形构件13构成，第一X形构件13是由四根钢柱交叉而成，采用X形是为与倒V形构件12适配连接，若干的第一X形构件13螺栓连接在倒V形构件12上端，且第一X形构件13是朝外倾斜的，同理，第一X形构件13的重心位置与内筒102之间连接有圆钢构成的临时支撑，接着是安装第三段，第三段的组成与第二段相似，采用的是第二X形构件14，第四段采用的是第三X形构件15，同样都连接有临时支撑，悬挑部2的重心逐渐外移，通过设置临时支撑，可以暂时维持悬挑部2结构的稳定性。

进一步的，所述悬挑部2与支撑平台3之间通过若干的柱形拉杆9支撑连接，顶板4与支撑平台3之间呈环形分布若干的支撑柱8，顶板4中部具有允许内筒102通过的孔道。

具体的，在悬挑部2上通过拉杆9安装有支撑平台3，支撑平台3内侧与内筒102螺栓连接，拉杆9用于支撑平台3，拉杆9位于悬挑部2第三段上，在支撑平台3上连接多根长度不同的支撑柱8，支撑柱8的顶端连接顶板4，顶板4是倾斜设置的，可以快速排水，顶板4中部设有允许内筒102通过的孔道，顶板4与内筒102之间是连接固定，将顶板4与内筒102连接为一体，提高塔楼整体稳定性。

进一步的，所述人行通道5包括多个桥墩11、走道骨架19及若干走道板，桥墩11与基座7上的预埋板固定连接，桥墩11呈Y形，任意相邻两桥墩11之间设有加强杆18，走道骨架19呈倾斜的曲线形设置在各桥墩11上，走道板铺设在走道骨架19上，走道骨架19边沿设有护栏；人行通道5包括栈道51和连桥52，连桥52用于连通多个塔楼钢结构主体的支撑平台3，栈道51与连桥52连通且用于行人从地面通向连桥52上。

具体的，如图23和24所示，人行通道5主要包括桥墩11、走道骨架19和走道板，桥墩11是Y形结构，桥墩11下端与基座7上的预埋板螺栓连接，预埋板就是事先焊接在基座7内部钢筋上钢板，桥墩11的高度根据人行通道5的高度而定，走道骨架19的高度逐渐增高，整体呈向上倾斜的曲线形分布，直至与塔楼的支撑平台3接通，走道骨架19是由两条形钢柱平行设置而成，两条形钢柱之间呈蛇形连接有若干的加强钢柱，桥墩11上端与两钢柱螺栓连接，在将走道板铺设在走道骨架19上，以便行人通行到支撑平台3上，在走道骨架19边缘设置有护栏，对行人起到保护作用，人行通道5主要包括两部分，一部分是基座7到支撑平台3的栈道51，一部分是连通三个塔楼的连桥52，连桥52与栈道51的结构是相同的，只是作用不同，为了提高人行通道5的稳定性，在桥墩11之间连接有加强杆18。

进一步的，所述基座7侧壁上还设有雨棚10，所述雨棚10包括曲线形的网格状的支撑骨架及铺设在支撑骨架上的PC板，支撑骨架包括边梁22、连接杆23和支杆24，边梁22与基座7上的预埋块连接，连接杆23沿着边梁22延伸的方向分布，任意相邻两连接杆23之间设有至少一根支杆24，支杆24与连接杆23相互交叉构成网格状。

具体的，如图1和5所示，在基座7侧壁上连接有雨棚10，雨棚10的设计根据基座7的结构、地势的高低而改变，雨棚10主要是由支撑骨架和PC板构成，支撑骨架主要包括边梁22、连接杆23、支杆24，边梁22与基内的预埋块连接，同时在空旷区域设有两根边梁22，其中一根与基座7的侧壁连接，连接杆23沿着边梁22延伸方向分布，连接杆23一端与边梁22连接，另一端与基座7侧壁或者另一边梁22连接，两连接杆23之间连接有多根支杆24，这样支杆24与连接杆23相互交错构成网格状，从而形成网格状的骨架，可以降低整个骨架的重量，最后将PC板铺设固定在骨架上。

实施例2

一种高层伞形偏心悬挑钢结构的施工方法，包括以下步骤，如图17所示：

S1：施工区域内开挖设计尺寸的基坑，绑扎适配钢筋笼置于基坑内，安装有地脚螺栓的支撑钢支架根据设计要求焊接于钢筋笼内，地脚螺栓外漏的螺纹部分缠绕保护层，浇筑混凝土形成基座7。

具体的，根据地脚螺栓的分布及外形、重量进行设计，计算复核确定支撑钢支架承载能力，保证钢支架的安全、稳定，及变形符合要求。

在施工底部垫层钢筋混凝钢筋时，在钢柱柱脚的垂直投影位置预埋钢板，以用于预埋螺栓钢支架的定位固定。

根据定位测量所确定的各个钢柱的定位轴线的位置；放置地脚预埋螺栓的钢支架系统，将钢支架系统的定位线对正测量定位点，并利用预埋好的混凝土中预埋铁加以固定，支架固定好后，重新进行测量定位。在钢支架顶面上弹出定位中心线以备预埋螺栓的准确固定。

在固定好的支撑钢支架上，根据定位线搁置地脚螺栓定位模板，调整精确定位后焊接固定，再将预埋螺栓穿入定位模板的螺栓孔内。

在钢筋绑扎完后，再次对钢柱预埋螺栓的位置及标高进行精确的定位，并辅以加固。

S2：设置起重吊机的放置区域，先将分段的内筒102依次吊至基座7上与预埋件25连接，并安装旋转楼梯6；具体的，直筒段构件到现场后，将工厂已分片分段的构件按图纸位置吊装，由130吨汽车吊，先吊装内筒102构件在吊装旋转楼梯6，旋转楼梯6沿着内筒102长度方向呈螺旋形分布。吊装时，必须边起钩、边转臂使钢柱垂直离地。吊装到对应位置后。收紧四个方向缆风绳，拧紧对接螺栓，收紧缆风绳，并将对接处点焊。

在稳定后继续吊装其他内筒102柱，完成后，用吊车将弧形梁吊到相应的位置后，使用垂直式高空平台车（曲臂车），焊接弧形梁与内筒102构件，先将内筒102安装至5.3m高位置。

S3：再将分段的外筒101依次吊至基座7上与内筒102外侧的预埋件25连接，外筒101套设在内筒102外部，外筒101的安装高度与内筒102的安装高度相同；具体的，安装外筒101第一圈类X型结构，安装是采用对称、十字安装的方式进行安装，可以确保外筒101不易发生倾斜。

S4：接着继续安装内筒102至设计13.25m标高位置；在将外筒101逐级安装至13.25m标高处，并接着将将内筒102安装至最高处。

S5：在外筒101上端周向连接多个倒V形构件12，多个倒V形构件12朝外倾斜设置并构成悬挑部2的第一段，每个倒V形构件12与内筒102之间拉结有临时支撑。

S6：在第一段上端周向连接多个第一X形构件13，多个第一X形构件13朝外倾斜设置并构成悬挑部2的第二段，且倾斜角度大于倒V形构件12的倾斜角度，每个第一X形构件13与内筒102之间拉结有临时支撑。

S7：在第二段上端周向连接多个第二X形构件14，多个第二X形构件14朝外倾斜设置并构成悬挑部2的第三段，且倾斜角度大于第一X形构件13的倾斜角度，每个第二X形构件14与内筒102之间拉结有临时支撑，相邻两第二X形构件14的上端、下端均通过圆管柱梁连接，第三段呈蜗壳状。

S8：沿着第三段上端边沿位置连接若干拉杆9，每根拉杆9的倾斜角度各不相同，若干拉杆9上搭设支撑平台3，支撑平台3的标高为26.250m。

S9：支撑平台3搭设完成后，在第三段上端周向连接多个第三X形构件15，多个第三X形构件15朝外倾斜设置并构成悬挑部2的第四段，且倾斜角度大于第二X形构件14的倾斜角度，最后完成剩余拉杆9的安装固定。

S10：支撑平台3顶面呈椭圆形分布多个支撑柱8，多个支撑柱8顶部倾斜安装顶板4。

S11：拆除悬挑部2与内筒102之间临时支撑的圆钢。

S12：安装栈道51、连桥52及雨棚10，施工完毕。具体的，栈道51和连桥52的安装顺序适一样的，先将桥墩11固定在基座7相应的位置上，然后在两相邻的桥墩11之间固定加强杆18，接着将走道骨架19固定在桥墩11顶部，最后铺设走道板即可。

进一步的，在对内筒102、外筒101进行安装时，需要对内筒102的钢柱、钢梁的安装定位测量以及对外筒101X构件的钢柱定位测量，同时，根据塔楼钢结构主体的施工步骤，选取关键步骤进行施工模拟分析，施工模拟分析采用MIDAS进行分析，监测安装时钢结构的变形量是否在设计范围内，如图6-图16所示，关键步骤主要为以下步骤，标高下直筒段安装完成后变形值为0.25mm；内筒102段全部安装完成后变形值为0.55mm；外筒101向上倒V形构件12安装完成后的变形值为0.56mm；外筒101上第一X形构件13安装完成后的变形值为1.77mm；外筒101上第二X形构件14安装完成后的变形值为3.5mm；拉杆9安装完成后的变形值为4.7mm；支撑平台3安装后的变形值为6.5mm；第三X形构件15安装完成后的变形值为34mm；顶板4安装完成后的变形值34mm；临时支撑拆除后的变形值为33mm；浇筑混凝土后的变形值为36mm。从以上施工过程模拟分析可以看出，安装外筒101网壳外倾段时，每一个“X”型分段均用直径30mm的圆钢与直立的内筒102相连，网壳外侧最大变形为3.5mm，属于非常小的变形，在允许范围内。在上面安装支撑平台3后，最大变形为6.5mm，此时直立内筒102和外筒101网壳形成整体，拆除临时的圆钢拉杆9，变形几乎无变化。最大的变形为外筒101网壳悬臂段，安装完成后向下的挠度值为34mm，因此安装此悬挑段时，在悬挑根部预起拱40mm，混凝土浇筑均是作用在内筒102和外筒101形成的整体结构上，引起的变形均很小，无需采取措施。

具体的，安装一组钢柱后，应对柱顶做一次标高实测，根据实测标高的偏差值来确定调整与否。标高偏差值≤５mm，只记录不调整，超过５mm需进行调整。

调整的方法是：如果标高高了，必须在后节柱上截去相应的误差长度；如果标高低了，须采用填赛相应厚度的钢板，钢板必须与原钢柱同种材质，另外需注意以下两点：

a一次调整不宜过大，一般以５mm为限，因为过大的调整会带来其他构件节点连接的复杂化和安装难度。

b由于钢柱截短相对比较麻烦，因此施工时柱顶标高尽可能控制在负公差内。

钢柱的安装工艺：

a钢柱安装前应对下一组钢柱的标高与轴线进行复验，发现误差超过规范，应立即修正。

b安装前，应对钢柱的长度、断面、翘曲等进行预检，发现问题即向技术部门报告，以便及时采取措施。

c安装前，应在地面上把爬梯等装在钢柱上，供登高作业用。

d钢柱加工厂应按要求在柱两端设置临时连接耳板17，待钢柱对接（指电焊）完成，且验收合格后，再将耳板17割除。

e一般钢柱采用两点就位，一点吊装。吊装采用旋转回直法，严禁根部拖柱，吊点位置在柱顶。

f钢柱安装就位后，先调整标高,再调整位移，最后调整垂直偏差,重复上述步骤，直到符合要求。

柱 - 柱相接：安装连接板固定，上下柱不能出现错口，然后进行校正焊接。每一组柱的定位轴线，应从地面控制轴线引到柱顶，以保证每节钢柱安装无误，避免产生过大的积累偏差；柱 – 柱安装校正重点：对钢柱有关尺寸预检；影响垂直因素的预先控制安装误差：钢柱的柱顶垂直偏差、位移量、焊接变形、日照温度、垂直校正及弹性压缩等；柱 – 柱焊接收缩值：t=30mm，收缩值 1.7~2mm。

当钢柱临时固定好后，即进行钢梁的安装工作，使之形成稳定的框架结构。钢梁的安装作顺序如下：

1）将钢梁吊至安装点处缓慢下降使梁平稳就位，等梁与钢梁连接板对准后，用冲钉穿孔作临时就位对中，并将另一块连接板移至相对位置穿入冲钉中，将梁两端打紧逼正，节点两侧各穿入不少1／3 的普通螺栓临时加以紧固。

2）每个节点上使用的临时螺栓和冲钉不少于安装总孔数的1／3，临时螺栓不少于两套，冲钉不宜多于临时螺栓的30％。

3）调节好梁两端的焊接坡口间隙，并用水平尺校正钢梁与牛腿上翼缘的水平度达到设计和规范规定后，拧紧临时螺栓，将安全绳拴牢在梁两端的钢柱上。

4）在完成一个独立单元柱与框架梁的安装后，即可进行次梁和小梁的安装。

5）在任何一个单元钢柱与框架梁安装时，必须先校正钢柱，柱间框架梁调整校正完毕后，将各节点上安装螺栓拧紧，使各节点处的连接板贴合好以保证更换高强度螺栓的安装要求。

本工程钢柱的标高控制主要测量和控制各节柱顶标高，由于钢材压缩变形、基础沉降及钢材线胀变形（△=K×△t×H K即为钢材的线胀系数）等的综合影响，随着施工楼层高度的增加，柱顶实际标高与设计标高差会越来越大，因此柱顶设计标高不能作为钢柱标高控制的标准，此时需要有一个对整个建筑物基础沉降观测及结构变形验算的综合考虑，从而近似得出每一节钢柱顶部实际应该控制的目标高度。操作难度较大。故确定：钢柱高度采用相对标高控制。

为保证整个建筑物的设计标高不受影响，每次标高引测均从标高基准点开始，按设计高度控制每次吊装的柱顶标高。

钢柱标高控制主要方法：采用全站仪利用三角高程的测量原理，测量出各节柱顶的标高，根据测量标高偏差值的大小，在吊装上一节钢柱时，通过加衬板和割衬板来垫高和降低上一节钢柱的标高。标高允许偏差：+5~-5mm，内部控制目标：+3~-3mm。三角高程测量的具体方法如下：先将标高基准点引测至施工作业层的测站点，在测站点上架设全站仪，在安装完成的柱顶上放置小棱镜，利用三角高程的原理：H=H。+△h（H柱顶标高，H。测站点标高，△h测站点与柱顶高差），层高偏差控制目标：±５mm。当层间高度偏差超限时可通过加垫板垫高或切割衬板降低上一节钢柱的标高来方法来达到对钢柱的标高进行控制的目的。

柱底就位和柱底标高校正完成后，即可用经纬仪检查垂直度，方法是在柱身相互垂直的两个方向用经纬仪照准钢柱柱顶处侧面中心点，然后比较该中心点的投影点与柱底处该点所对应柱侧面中心点的差值，即为钢柱此方向垂直度的偏差值。其值应为Ｈ/1000且绝对偏差≤±10mm，由于钢柱高度一般都在12m左右，故单节钢柱垂直度经校正后偏差值δ应不大于10mm。当视线不通时，可将仪器偏离其所在的轴线，但偏离的角度应不大于15度。本工程钢柱主要为圆形柱、方柱。在柱子吊装到位后，将全站仪架设到视野开阔能够大面积观测的平面上，在柱子校正过程中，将小棱镜置于柱子顶部四角逐一测量各点，直到柱子设计坐标值与仪器所测坐标差相符。此方法可保证超高层建筑的精度需求。圆形钢柱在安装前，沿柱中心线铅垂方向用阳冲在柱顶和柱脚打上钢眼。以便对中和控制垂直度。

钢柱轴线测量控制方法：如图19所示，站仪+小棱镜直接观测。根据场地通视条件，选择架设全站仪的最佳位置。当钢柱吊装完成后，计算出每根钢柱的设计坐标及该观测点与全站仪架设点之间的坐标关系，并做好参数记录。架设全站仪于选定的测量观测点上，根据计算结果。结合当日气象值设置好坐标参数及气象调整值，准确无误后分别照准小棱镜，得出构件空间位置的实测三维坐标，比较每点实测坐标与该点设计坐标值得出钢柱的轴线偏差和扭曲值，然后通过导链和千斤顶校正钢柱垂直度至规范允许范围内。

第二节以上的钢柱吊装首先是柱与柱接头的相互对准，汽车吊松勾后用全站仪进行三维坐标点垂直度控制，校正上节钢柱垂直度时要考虑下节钢柱相对于轴线的偏差δ，校正后上节柱顶对于下一节柱顶的偏差为－δ，使柱顶偏回到设计或规范允许的偏差范围内，以保证便于柱间柱和斜撑的安装精度。塔楼成层分段，成片区的柱、梁安装完成后，对这一区段钢柱需要整体进行测量。校正；对于局部尺寸偏差，用千斤顶或倒链收紧合拢或顶开来调校。校正后紧固高强螺栓。

日照和焊接变形对钢柱垂直度偏差影响的分析与预控；由于日光照射在钢柱的一侧，钢柱将会向背光的一侧发生附加的倾斜位移。这时可考虑对钢柱按如下理论公式⊿=a×t×L/2D（其中⊿：柱顶因温差影响产生的位移值；a：钢材的线膨胀系数；⊿t：柱两面的温差；L：钢柱的长度、D：柱子的厚度）进行预偏，预偏方向与太阳光照方向相反。

钢柱焊接收缩变形影响的分析与预控，钢柱校正完后，钢柱垂直度和轴线位置都校正正确的情况下，如果不考虑焊接收缩影响往往会发生较大的焊接变形。施工经验证明，钢板厚度50mm以上时，梁---柱焊缝收缩一般约为2mm，柱---柱焊缝收缩一般约为3.5mm，每节柱由于焊接造成的柱顶垂直度位移值约为2.5mm，故在测量校正时除中心柱外，尤其是边缘柱均应考虑焊接变形对钢柱进行预控，包括焊接收缩对钢柱标高的影响也一样要进行预控。

焊接收缩变形预控的做法是：如图20所示，在钢柱的四面沿对接缝上下各焊接一块马板20，根据千分表21的大小及在监测的同时满足焊接操作的需要，设置马板20的大小及上下间距。对称摆放千分表21于优先焊接的柱两侧对应的下面马板20上，调节千分表21钨钢针与上面的马板20顶紧，固定旋钮，记下此时千分表21初始读数，即可开始焊接准备。在焊接的过程中定时观察千分表21表盘的读数，比较两表盘读数差值，计算出钢柱由于不称施焊所造成的焊接变形预控制值，根据图21所示，经计算得出如下所示位移公式：Δ=(Δs2-Δs1)×L/D。

变形分析：正常情况下钢柱对称焊接所造成的柱顶位移一般≤2.5mm，在对该钢柱进行焊接变形监测时两表盘读数差不超过±0.25mm（千分表21测量精度0.001mm），故当读数差超过这一范围时即表示焊接变形过大，这时可提示焊接操作人员重新调整焊接顺序，从而达到对焊接变形进行实时监测的目的。

关于外筒101X形构件钢柱测量，如图22所示：

（1）钢柱标高控制与调整：主要是依据标高基准点，测量出下节柱顶的标高，根据下节柱标高偏差值的大小，在吊装本节钢柱时，结合本节钢柱的实际长度通过增大或减小钢柱接头间焊缝间隙来调整本节钢柱的标高偏差，为了精确控制倾斜钢柱的标高偏差，将钢柱各分节处的四个角点理论标高计算出来，利用全站仪加小棱镜采用三角高程的原理，测放出该点处实际标高。

（2）钢柱扭转偏差的校正：钢柱的扭转偏差是在制造与安装过程中产生的。调整的方法是在上柱和下柱的耳板17的不同侧面夹入一定厚度的垫板，夹紧柱头临时接头的连接板。如此方法调整不动则在钢柱翼板的侧面安装自制的“L”型校正钢板用千斤顶将上下柱对接部位向相反的方向顶动使其扭转，钢柱的扭转每次只能调整3mm，若偏差过大只能分次调整，钢柱就位和柱顶标高校正完成后，即可用全站仪校正钢柱的垂直度。

（3）倾斜度和轴线校正：倾斜的钢柱倾斜度校正方法基本与垂直钢柱相同，测量方法是测量人员事先计算出钢柱的倾斜度和倾斜钢柱的柱顶坐标。测量校正用全站仪控制钢柱的倾斜度和柱顶轴线坐标。

架设全站仪于核心筒的门洞口处通过后方交会或极坐标交汇法确定测站点的坐标，然后利用全站仪与微型反射棱镜配合，测量倾斜钢柱的柱顶坐标，用实测坐标与理论坐标相减计算出轴线偏差，用本节柱顶的实测坐标与下节柱顶的实测坐标相减来计算倾斜钢柱的倾斜度偏差值。

进一步的，按照塔楼钢结构主体各层结构逐步施工完成，以层划分施工区域，从下至上依次交叉进行现场防腐涂装施工，每个施工区域在立面从上至下逐层涂装，在平面上从中间向两边方向进行涂装。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高层伞形偏心悬挑钢结构，其特征在于，包括设置于地面基座（7）上的塔楼钢结构主体，塔楼钢结构主体包括固定在基座（7）内预埋件（25）上的支撑部（1）及位于支撑部（1）上的悬挑部（2），支撑部（1）包括内筒（102）和外筒（101），内筒（102）位于外筒（101）内部，外筒（101）周向向外延伸形成伞形的悬挑部（2），悬挑部（2）呈偏心设置，悬挑部（2）上方设有与内筒（102）连接的支撑平台（3），支撑平台（3）上方设有倾斜的顶板（4），内筒（102）上端贯穿顶板（4），基座（7）上设有与支撑平台（3）连通的人行通道（5），内筒（102）与外筒（101）之间固定有可到达支撑平台（3）的旋转楼梯（6）；

所述悬挑部（2）由重心逐渐向外偏移的第一段、第二段、第三段、第四段连接而成，第一段由多个倒V形构件（12）倾斜固定在外筒（101）顶端周向，第二段由多个第一X形构件（13）倾斜固定在第一段顶端周向，第三段由多个第二X形构件（14）倾斜固定在第二段顶端周向，第四段由多个第三X形构件（15）倾斜固定在第三段顶端周向，倒V形构件（12）、第一X形构件（13）、第二X形构件（14）、第三X形构件（15）与水平面的夹角逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的一种高层伞形偏心悬挑钢结构，其特征在于，所述内筒（102）为由多根箱型钢柱（16）组成的密柱框筒结构，外筒（101）为由多根箱型钢柱（16）斜交组成的四边形网格结构，外筒（101）、内筒（102）均通过柱脚板与预埋件（25）连接。

3.根据权利要求2所述的一种高层伞形偏心悬挑钢结构，其特征在于，所述预埋件（25）包括地脚螺栓及支撑钢支架，地脚螺栓安装于支撑钢支架四个边角处，支撑钢支架与基座（7）内的钢筋焊接。

4.根据权利要求1所述的一种高层伞形偏心悬挑钢结构，其特征在于，所述悬挑部（2）与支撑平台（3）之间通过若干柱形的拉杆（9）支撑连接，顶板（4）与支撑平台（3）之间呈环形分布若干的支撑柱（8），顶板（4）中部具有允许内筒（102）通过的孔道。

5.根据权利要求1所述的一种高层伞形偏心悬挑钢结构，其特征在于，所述人行通道（5）包括多个桥墩（11）、走道骨架（19）及若干走道板，桥墩（11）与基座（7）上的预埋板固定连接，桥墩（11）呈Y形，任意相邻两桥墩（11）之间设有加强杆（18），走道骨架（19）呈倾斜的曲线形设置在各桥墩（11）上，走道板铺设在走道骨架（19）上，走道骨架（19）边沿设有护栏；人行通道（5）包括栈道（51）和连桥（52），连桥（52）用于连通多个塔楼钢结构主体的支撑平台（3），栈道（51）与连桥（52）连通且用于行人从地面通向连桥（52）上。

6.根据权利要求1所述的一种高层伞形偏心悬挑钢结构，其特征在于，所述基座（7）侧壁上还设有雨棚（10），所述雨棚（10）包括曲线形的网格状的支撑骨架及铺设在支撑骨架上的PC板，支撑骨架包括边梁（22）、连接杆（23）和支杆（24），边梁（22）与基座（7）上的预埋块连接，连接杆（23）沿着边梁（22）延伸的方向分布，任意相邻两连接杆（23）之间设有至少一根支杆（24），支杆（24）与连接杆（23）相互交叉构成网格状。

7.一种权利要求1-6中任意一项所述的一种高层伞形偏心悬挑钢结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：施工区域内开挖设计尺寸的基坑，绑扎适配钢筋笼置于基坑内，安装有地脚螺栓的支撑钢支架根据设计要求焊接于钢筋笼内，地脚螺栓外漏的螺纹部分缠绕保护层，浇筑混凝土形成基座（7）；

S2：设置起重吊机的放置区域，先将分段的内筒（102）依次吊至基座（7）上与预埋件（25）连接，并安装旋转楼梯（6）；

S3：再将分段的外筒（101）依次吊至基座（7）上与内筒（102）外侧的预埋件（25）连接，外筒（101）套设在内筒（102）外部，外筒（101）的安装高度与内筒（102）的安装高度相同；

S4：接着继续安装内筒（102）至设计标高位置；

S5：在外筒（101）上端周向连接多个倒V形构件（12），多个倒V形构件（12）朝外倾斜设置并构成悬挑部（2）的第一段，每个倒V形构件（12）与内筒（102）之间拉结有临时支撑；

S6：在第一段上端周向连接多个第一X形构件（13），多个第一X形构件（13）朝外倾斜设置并构成悬挑部（2）的第二段，且倾斜角度大于倒V形构件（12）的倾斜角度，每个第一X形构件（13）与内筒（102）之间拉结有临时支撑；

S7：在第二段上端周向连接多个第二X形构件（14），多个第二X形构件（14）朝外倾斜设置并构成悬挑部（2）的第三段，且倾斜角度大于第一X形构件（13）的倾斜角度，每个第二X形构件（14）与内筒（102）之间拉结有临时支撑，相邻两第二X形构件（14）的上端、下端均通过圆管柱梁连接，第三段呈蜗壳状；

S8：沿着第三段上端边沿位置连接若干拉杆（9），每根拉杆（9）的倾斜角度各不相同，若干拉杆（9）上搭设支撑平台（3）；

S9：在第三段上端周向连接多个第三X形构件（15），多个第三X形构件（15）朝外倾斜设置并构成悬挑部（2）的第四段，且倾斜角度大于第二X形构件（14）的倾斜角度；

S10：支撑平台（3）顶面呈椭圆形分布多个支撑柱（8），多个支撑柱（8）顶部倾斜安装顶板（4）；

S11：拆除悬挑部（2）与内筒（102）之间的临时支撑；

S12：安装栈道（51）、连桥（52）及雨棚（10），施工完毕。

8.根据权利要求7所述的一种高层伞形偏心悬挑钢结构的施工方法，其特征在于，在对内筒（102）、外筒（101）进行安装时，需要对内筒（102）的钢柱、钢梁的安装定位测量以及对外筒（101）X形构件的钢柱定位测量，同时，根据塔楼钢结构主体的施工步骤，选取关键步骤进行施工模拟分析，施工模拟分析采用MIDAS进行分析，监测安装时钢结构的变形量是否在设计范围内。

9.根据权利要求7所述的一种高层伞形偏心悬挑钢结构的施工方法，其特征在于，按照塔楼钢结构主体各层结构逐步施工完成，以层划分施工区域，从下至上依次交叉进行现场防腐涂装施工，每个施工区域在立面从上至下逐层涂装，在平面上从中间向两边方向进行涂装。