淺談超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

毛翠柏

（黔東南苗族侗族自治州建筑工程總公司 貴州凱里 556000）

淺談超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

毛翠柏

（黔東南苗族侗族自治州建筑工程總公司 貴州凱里 556000）

當(dāng)前，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，鋼產(chǎn)量的大幅增加，超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑體系屢見不鮮。在進(jìn)行高層鋼結(jié)構(gòu)建筑施工前，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系和施工方法，從而確保建筑工程質(zhì)量與運(yùn)行安全具有重要意義。本文即結(jié)合工程實(shí)例具體分析了超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。

超高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；施工技術(shù)

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人口的增長(zhǎng)及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，造成了建設(shè)用地日趨緊張的局面，促使城市建設(shè)不斷向高空發(fā)展。當(dāng)前，世界上所建成的高層及超高層建筑大多均是采用鋼結(jié)構(gòu)類型，鋼材的主要優(yōu)勢(shì)即為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、材料均勻性好、塑性良好。

1 高層鋼結(jié)構(gòu)體系

當(dāng)前，我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)體系主要包括鋼框架結(jié)構(gòu)體系、剛框架-支撐結(jié)構(gòu)體系、鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系、剛框架-混凝土核心筒體系以及交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系。

1.1 鋼框架結(jié)構(gòu)體系

鋼框架結(jié)構(gòu)體系是較為常見的，鋼框架結(jié)構(gòu)體系所指的是沿著縱、橫方向的框架來作為承重的主要結(jié)構(gòu)，該體系具有傳力路線清晰、建筑平面布置靈活性大、可以做成大開間、滿足建筑布局需求以及制作安裝施工便捷等特點(diǎn)。

1.2 鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系

鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系主要是利用框架結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，并布置相關(guān)數(shù)量的豎向結(jié)構(gòu)來支撐，這就使得鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系能夠承受水平力和側(cè)向力。如果房屋樓層較高，這種體系與純鋼框架體系相比具有更高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性，其通常運(yùn)用在7層以上、15層以下的建筑物結(jié)構(gòu)施工。

1.3 鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

在高層鋼結(jié)構(gòu)中合理地運(yùn)用剪力墻能夠使其更加穩(wěn)固，從而承受更大的負(fù)荷。該體系依據(jù)實(shí)際使用性能可以劃分為以下類型：①鋼框架-混凝土剪力墻體系：②鋼框架-帶縫混凝土剪力墻體系；③鋼框架-鋼板剪力墻體系：④鋼框架-帶縫鋼板剪力墻體系。

1.4 鋼框架-混凝土核心筒體系

鋼框架-混凝土核心筒體系主要是鋼筋混凝土的芯筒和鋼框架共同組成的混合結(jié)構(gòu)體系，該體系與鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系有很多的相似之處，均能夠承受較大的荷載。該結(jié)構(gòu)體系施工中能夠有效節(jié)省材料，降低工程造價(jià)。但是，由于鋼框架與核心筒的關(guān)聯(lián)性不夠緊密，一旦在較大的地震作用下核心筒遭到破壞，鋼框架也就無法抵御地震的沖擊。

1.5 交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系

交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系主要是由柱子、桁架以及樓面板所構(gòu)成的，通常柱子是固定在建筑的外圍，而桁架則是固定在柱子上，樓面板則是固定在桁架的上弦與下弦中。交錯(cuò)桁接體系通常用于15層以上、20層以下的建筑物施工中，該體系不僅可以滿足建筑物上大開間需求，還能綜合使用小柱距離和短跨樓板減輕建筑物自身的承重；桁架每隔一層設(shè)置一個(gè)可以合理控制框架柱斷面的大??；該體系還具有用鋼量低和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)。圖1是交錯(cuò)桁接體系示意圖。

圖1 交錯(cuò)桁接體系示意圖

2 實(shí)例分析超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

2.1 工程概況

本工程由3棟塔樓和空中平臺(tái)組成，具體分布如圖2所示。從下圖中可以看出，3棟塔樓在192m高空通過6層高的空中平臺(tái)連為整體。空中平臺(tái)結(jié)構(gòu)由底層的轉(zhuǎn)換桁架以及轉(zhuǎn)換桁架上部5層鋼框架結(jié)構(gòu)組成。轉(zhuǎn)換桁架承托其上5層結(jié)構(gòu)的豎向荷載，并將其傳至周邊3棟塔樓；除了承擔(dān)豎向荷載以外，還將協(xié)調(diào)3棟塔樓在側(cè)向荷載作用下的內(nèi)力及變形。

本工程空中平臺(tái)轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)最大跨度72m，高度8.8m，位于塔樓43層與44層之間，桁架單片最大質(zhì)量230t，整個(gè)空中平臺(tái)轉(zhuǎn)換桁架總質(zhì)量3000t，轉(zhuǎn)換桁架底部距裙房頂部132.60m，空中平臺(tái)結(jié)構(gòu)安裝不能影響裙房提前營(yíng)業(yè)，合理的拼裝、吊裝方案的選擇是本工程考慮的重點(diǎn)。空中平臺(tái)轉(zhuǎn)換桁架如圖3所示。

2.2 施工方案選擇

空中平臺(tái)有多個(gè)安裝方案，選擇一個(gè)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的安裝工藝是本工程的重點(diǎn)。

（1）原位胎架安裝法成熟可靠，但空中平臺(tái)底部距裙房頂部132.60m，胎架搭設(shè)高度過高，胎架自身穩(wěn)定性不足，且空中平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安裝不能影響裙房使用，其次原位胎架安裝法耗工耗時(shí)，以上因素制約了該方法的使用。

（2）高空延展法即在平面上以跨為單元，以塔樓外框?yàn)橐劳?，利用大型?dòng)臂塔吊進(jìn)行高空散件安裝，分別從3棟塔樓逐跨延伸、階段安裝成型；分次合龍完成轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)（央視新臺(tái)址即采用此安裝方法）。此法需大幅加固結(jié)構(gòu)、臨時(shí)措施較多、塔吊使用時(shí)間較長(zhǎng)、耗工耗時(shí)，對(duì)裙房的提前營(yíng)業(yè)造成一定的安全隱患，綜合分析此法不適用于本工程。

（3）液壓整體提升法是在塔樓上部結(jié)構(gòu)設(shè)置提升點(diǎn)，通過液壓提升系統(tǒng)將已拼裝好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體提升就位。例如：上海招商銀行、杭州火車東站主站房屋面、成都環(huán)球中心、河南鶴壁市龍門大廈轉(zhuǎn)換桁架等眾多項(xiàng)目均采用整體提升法，該方法工藝成熟。

本工程提升可分為6層空中平臺(tái)提升、空中平臺(tái)底部轉(zhuǎn)換桁架提升兩種方法，考慮到裙房要提前營(yíng)業(yè)的工期節(jié)點(diǎn)，故僅提升空中平臺(tái)底部轉(zhuǎn)換桁架，確保裙房提前營(yíng)業(yè)，此法臨時(shí)措施較少、提升工藝成熟、裙房施工不受影響、不影響裙房提前營(yíng)業(yè)。經(jīng)綜合分析最終決定采用整體提升法，并形成總體安裝思路：在裙房屋面上拼裝空中平臺(tái)轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)；待3棟塔樓結(jié)構(gòu)施工完成44層時(shí)，將主樓結(jié)構(gòu)的鋼骨柱及轉(zhuǎn)換桁架上弦作為提升平臺(tái)（本工程共設(shè)15組提升平臺(tái)），轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)上弦提升至主塔樓44層的位置進(jìn)行固定，轉(zhuǎn)換桁架固定完成后進(jìn)行上部5層結(jié)構(gòu)的安裝，待整個(gè)空中平臺(tái)結(jié)構(gòu)施工完成后，由下而上依次澆筑平臺(tái)樓層混凝土。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)分布示意圖

圖3 空中平臺(tái)轉(zhuǎn)換桁架（單位：m）

2.3 施工方法及提升設(shè)備

轉(zhuǎn)換桁架在裙房屋頂進(jìn)行拼裝，裙房屋面的承載力不足以支撐轉(zhuǎn)換桁架的整體拼裝，所以需對(duì)裙房屋面進(jìn)行加固處理，即在屋面和樓層內(nèi)設(shè)置支撐胎架，以滿足吊裝、拼裝要求。部分胎架底部通過加設(shè)型鋼支撐將力傳至框架柱上。

提升設(shè)備由液壓泵站、液壓提升器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器、穿芯千斤頂和鋼絞線等組成?？罩衅脚_(tái)提升液壓系統(tǒng)安裝主要包括上、下錨點(diǎn)安裝、鋼絞線拉設(shè)、提升器安裝、液壓油泵系統(tǒng)、控制系統(tǒng)安裝調(diào)試等。

拼裝過程中存在預(yù)起拱，起拱值根據(jù)整個(gè)空中平臺(tái)施工模擬計(jì)算得出（本工程預(yù)起拱值約78.2mm），計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 空中平臺(tái)模擬分析（單位：mm）

2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

對(duì)以下四方面內(nèi)容進(jìn)行了計(jì)算：①拼裝過程中支撐胎架的受力計(jì)算；②選擇幾種拼裝順序進(jìn)行施工模擬，選擇一種合理可行的拼裝工藝；③轉(zhuǎn)換桁架提升上下吊點(diǎn)受力計(jì)算；④整個(gè)空中平臺(tái)的施工模擬，計(jì)算最大位移，作為拼裝預(yù)起拱的依據(jù)。

本工程共設(shè)15個(gè)提升吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)位置配置2臺(tái)液壓提升器，共設(shè)30臺(tái)液壓提升器，鋼絲繩配置滿足提升要求，確保鋼絲繩有足夠的安全系數(shù)，液壓提升器的型號(hào)根據(jù)轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)反力進(jìn)行確定。拼裝階段反力如圖5所示。

圖5 空中平臺(tái)底部轉(zhuǎn)換桁架拼裝階段反力（單位：kN）

計(jì)算結(jié)果表明，無論是胎架還是空中平臺(tái)，只需做極少量的加固，就能滿足整體提升的需要。提升系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換桁架端部加固立面如圖6所示。提升方案說明：①塔樓44層位置設(shè)置提升平臺(tái)；②塔樓43、44層位置牛腿端部設(shè)置10°的傾斜坡口；③塔樓44層位置各牛腿均錯(cuò)開200mm，便于提升；④加固桿件截面為H400×400×13×21，連接方式為剛接。

2.5 吊點(diǎn)設(shè)置

2.5.1 提升上吊點(diǎn)設(shè)置

采用液壓同步提升設(shè)備吊裝轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)，需要設(shè)置合理的提升上吊點(diǎn)（圖7）。提升上吊點(diǎn)即在提升平臺(tái)上設(shè)置液壓提升器。液壓提升器通過提升專用鋼絞線與轉(zhuǎn)換桁架上弦桿上的對(duì)應(yīng)下吊點(diǎn)相連接。

圖6 提升系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換桁架端部加固立面

圖7 提升上吊點(diǎn)

提升上吊點(diǎn)根據(jù)轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)整體提升工藝需要，結(jié)合鋼柱、主桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及單組提升吊點(diǎn)的提升反力、配套的液壓提升器的選擇，同時(shí)為降低提升上吊點(diǎn)設(shè)置的高度，每一吊點(diǎn)布置兩臺(tái)液壓提升器。

2.5.2 提升下吊點(diǎn)設(shè)置

提升下吊點(diǎn)采用臨時(shí)牛腿與提升單元桁架的下弦桿焊接連接，焊縫等級(jí)一級(jí)，并在桁架弦桿內(nèi)增設(shè)加勁板等。同時(shí)，由于桁架分段后上弦桿處于懸臂狀態(tài)，為滿足結(jié)構(gòu)安全要求，在下吊點(diǎn)處設(shè)置桁架臨時(shí)加固桿件，以滿足提升過程中結(jié)構(gòu)的受力要求。提升下吊點(diǎn)形式如圖8所示。

圖8 提升下吊點(diǎn)

2.6 專用錨具受力分析

提升上吊點(diǎn)與下吊點(diǎn)處弦桿截面均為H800×600×30×60，且加固形式相同，加固時(shí)考慮足夠的安全系數(shù)。

2.7 空中平臺(tái)監(jiān)測(cè)

根據(jù)MidAs計(jì)算得知，整個(gè)空中平臺(tái)結(jié)構(gòu)施工過程中，跨中位置位移最大。結(jié)構(gòu)提升就位后，隨著時(shí)間的不斷累積、塔樓結(jié)構(gòu)的沉降，對(duì)于空中平臺(tái)結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測(cè)尤為重要。

本工程沉降位移監(jiān)測(cè)采用在轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)跨中及端部牛腿位置貼應(yīng)變片的方法進(jìn)行檢測(cè)，監(jiān)測(cè)工作室設(shè)置在3棟塔樓43層，監(jiān)測(cè)線路沿轉(zhuǎn)換桁架下弦桿敷設(shè)，線路連接好后，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，直至結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定。

3 結(jié)語

綜上所述，高程建筑鋼結(jié)構(gòu)體系多樣，應(yīng)根據(jù)具體的工程情況進(jìn)行合理選擇。上述工程進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，采用了“鋼絞索承重，計(jì)算機(jī)同步控制，液壓千斤頂集群的整體提升”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了安全安裝；同時(shí)，在結(jié)構(gòu)整體提升就位后，應(yīng)對(duì)產(chǎn)生位移過大的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而確保工程順利完成。

[1]霍隨成，胡秋華.淺析超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].中州建設(shè)，2013 （20）：71～73.

[2]朱麗麗，曹寶棟.超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與措施[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013（36）：45～46.

[3]許世雄.淺談高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與工藝[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010 （13）：82～83.

[4]崔曉強(qiáng)，胡玉銀，吳欣之.超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)和措施[J].建筑機(jī)械化，2009，（6）：15～16.

TU974

：A

：1673-0038（2015）05-0041-03

2015-1-10

毛翠柏（1970-），男，高級(jí)工程師，本科，主要從事建筑工程施工管理工作。