超高層建筑屈曲約束支撐安裝施工技術(shù)

中建鋼構(gòu)有限公司 靖江 214532

1 工程概況

義烏世貿(mào)中心超高層酒店采用帶環(huán)帶桁架的核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系，核心筒和外圍框架的抗震等級均為—級。超高層酒店鋼結(jié)構(gòu)用鋼量約10 000 t。

超高層酒店地下3 層，地上54 層，結(jié)構(gòu)標(biāo)高258.4 m，塔樓層高2.10～7.50 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.90 m和4.10 m。鋼構(gòu)件類型主要有十字形和H形。核心筒外框均勻分布16 根勁性十字柱，主體結(jié)構(gòu)共設(shè)置3 道環(huán)帶桁架，分別位于22、35、47層，桁架斜腹桿采用屈曲約束支撐（BRB，Buckling Restrained Brace）。在環(huán)帶桁架層，每2 根外框柱之間設(shè)計有2 根屈曲約束支撐，故每層有屈曲約束支撐32 根。屈曲約束支撐外觀為正方形，外觀尺寸為400 mm×400 mm，芯板厚50 mm，屈服承載力最大為12 850 kN。本工程所用屈曲約束支撐為承載力屈曲約束支撐，故而屈曲約束支撐的安裝不宜滯后于上部結(jié)構(gòu)施工，以便屈曲約束支撐更好地發(fā)揮承載力，達到設(shè)計性能要求。

2 屈曲約束支撐

超高層建筑對結(jié)構(gòu)抗震性能和風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形要求更高。普通支撐受壓會產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象，當(dāng)支撐受壓屈曲后，剛度和承載力急劇降低。在地震或風(fēng)的作用下，支撐的內(nèi)力在受壓和受拉兩種狀態(tài)下往復(fù)變化。當(dāng)支撐由壓曲狀態(tài)逐漸變至受拉狀態(tài)時，支撐的內(nèi)力以及剛度接近為零。因而普通支撐在反復(fù)荷載作用下的滯回性能較差。而屈曲約束支撐一方面可以避免普通支撐拉壓承載力差異顯著的缺陷，另一方面具有金屬阻尼器的耗能能力，使得主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性范圍內(nèi)[1-4]。

義烏世貿(mào)中心采用的承載型屈曲約束支撐主要是為了克服普通支撐受壓屈曲的弱點，通過設(shè)置外側(cè)的約束單元來抑制支撐在受壓狀態(tài)下出現(xiàn)屈曲的可能性，從而改善并且提高支撐的受壓承載能力，如圖1所示。

由于這種支撐能夠大幅度提高支撐的承載力，特別是受壓承載力，因此可以充分發(fā)揮鋼材的強度。承載型屈曲約束支撐可以不考慮支撐芯材進入屈曲后的耗能能力，設(shè)計時芯材僅控制在彈性工作狀態(tài)，且支撐不會發(fā)生整體屈曲[5,6]。

圖1 屈曲約束支撐構(gòu)造

3 技術(shù)要求

1）屈曲約束支撐不可采用普通鋼結(jié)構(gòu)支撐替代，應(yīng)由專業(yè)廠家為產(chǎn)品供貨，屈曲約束支撐制造商應(yīng)提供建設(shè)部的產(chǎn)品論證報告書。

2）屈曲約束支撐制造商應(yīng)對芯材進行性能試驗；芯材的屈強比不應(yīng)大于0.8，伸長率應(yīng)大于30%并有明顯的屈服臺階，應(yīng)具有常溫下27 J沖擊韌性功。

3）本支撐為承載型屈曲約束支撐，應(yīng)進行抽樣試驗檢驗，試驗時，支撐在受拉和受壓兩種狀態(tài)下均應(yīng)能達到屈服承載力，且支撐不可出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，還應(yīng)在1/100支撐長度的拉伸和壓縮往復(fù)各一次變形，支撐不得出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。

4）屈曲約束支撐應(yīng)保證具有良好的環(huán)境特性，耐氣候、耐腐蝕。屈曲約束耐火等級為二級，耐火極限為2 h，在火災(zāi)時應(yīng)與結(jié)構(gòu)共同工作。屈曲約束支撐正常維護使用年限為50 年。

5）工廠焊接焊縫檢驗等級為一級，現(xiàn)場焊接焊縫質(zhì)量檢驗等級為二級。

6） 構(gòu)件長度的允許偏差為±3 mm。

4 BRB施工

4.1 施工順序

義烏世貿(mào)中心超高層酒店屈曲約束支撐施工步驟為：下弦梁→框架柱→上弦梁→BRB（屈曲約束支撐），如圖2所示。

圖2 BRB施工順序

第1步，施工環(huán)帶桁架下弦梁，鋪設(shè)下弦梁所在樓層鋼筋桁架板；

第2步，施工環(huán)帶桁架框架柱，同時施工上弦梁，并在其上安裝2 臺30 kN倒鏈。上弦梁所在樓層鋼筋桁架板暫不施工；

第3步，用塔吊起吊堆場屈曲約束支撐至下弦梁所在樓層以上1.5 m處，塔吊停止起降操作。屈曲約束支撐上安裝2 根纜風(fēng)繩用于后續(xù)將構(gòu)件平拉就位和臨時固定。因屈曲約束支撐要通過塔吊和倒鏈協(xié)同操作，故而屈曲約束支撐上1 個吊耳孔要同時滿足2 個卸扣穿過的要求（一個供塔吊，一個供倒鏈）。吊耳孔設(shè)計為35 mm，不足以同時穿孔2 個卸扣，故而先用1 個大卸扣C穿過吊耳，再用2 個較小卸扣A、B穿過大卸扣C，提供塔吊和倒鏈的吊點；

第4步，用纜風(fēng)繩將屈曲約束支撐拉至樓層內(nèi)后，安裝倒鏈鋼絲繩，并通過倒鏈不等高提升，使倒鏈逐漸承受構(gòu)件的質(zhì)量，逐步減小塔吊受力，直至塔吊吊鉤鋼絲繩完全松弛；

第5步，將完全不受力塔吊吊鉤與屈曲約束支撐分離，塔吊吊鉤離開，準(zhǔn)備下一根構(gòu)件吊裝。拉動2 臺倒鏈與纜風(fēng)繩，調(diào)整屈曲約束支撐空間位置，先使屈曲約束支撐下端與鋼柱牛腿精確就位，通過焊接馬板臨時固定；然后微調(diào)使屈曲約束支撐上部對準(zhǔn)并臨時固定；

第6步，采用對稱吊裝的方式進行同層屈曲約束支撐的施工作業(yè)，同時采用對稱焊接的方式進行屈曲約束支撐的焊接作業(yè)。屈曲約束支撐的吊裝順序和焊接順序一致，整體順序如圖3所示。

圖3 BRB吊裝與焊接順序（1→8）

4.2 端部構(gòu)造

因屈曲約束支撐具有截面小、芯板厚度大的特點，為保證屈曲約束支撐準(zhǔn)確就位，減少安裝時間，同時也為了保障施工安全，需在屈曲約束支撐端部增加靠向板，靠向板可在工廠預(yù)制或現(xiàn)場安裝時臨時焊接，靠向板如圖4所示。

圖4 BRB端部措施

5 焊接工藝

5.1 焊接次序

因本工程屈曲約束支撐為承載型，故而屈曲約束支撐吊裝完畢后應(yīng)立即進行焊接，以使屈曲約束支撐能更好地發(fā)揮設(shè)計性能。

現(xiàn)場主要采用4 個焊接班組進行對稱焊接，即一個跨間2 個焊接班組同時焊接2 根屈曲約束支撐，焊接次序為從下向上；同時，此跨對應(yīng)跨間的另外2 個焊接班組也進行焊接作業(yè)。

5.2 焊接技術(shù)要點

1）環(huán)境要求：平均氣溫-5 ℃以上，風(fēng)力＜2 m/s，相對濕度≤70%，焊接預(yù)熱不小于60 ℃；

2）多層、多道焊接時應(yīng)連續(xù)施焊，每一焊道焊接完成后，應(yīng)及時清理焊渣及表面飛濺物，發(fā)現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的缺陷，應(yīng)清除后方可施焊。在連續(xù)焊接過程中應(yīng)控制焊接區(qū)母材溫度，使層間的上、下限溫度符合工藝文件要求。如遇有中斷施焊情況，應(yīng)采取加熱措施，再次焊接時重新預(yù)熱溫度應(yīng)高于初始預(yù)熱溫度。

3）焊接完成后，應(yīng)用火焰切割去除引弧板和引出板，并修磨平整，不得用錘擊落引出板和引弧板。

4）嚴禁在焊接部位以外的母材上打火引弧。

5）焊接完成后，焊工應(yīng)檢查焊縫外觀質(zhì)量是否符合要求，并在施焊部位打上施焊焊工代號（英文字母）。

6）對連接板的切割不能過早，一定要填充到焊縫1/3以上的厚度才能切割。

5.3 安全防護

根據(jù)焊口高度，搭設(shè)釋放、焊接操作平臺，操作平臺采用鋼管搭設(shè)，平臺底部滿鋪木跳板，木跳板上鋪滿石棉網(wǎng)（圖5）。平臺空間及承載力能夠滿足2 名焊接人員順利操作。

圖5 BRB焊接操作平臺

6 結(jié)語

義烏世貿(mào)中心超高層酒店為浙中地區(qū)第一高樓，是超高層結(jié)構(gòu)典型代表。工程采用的屈曲約束支撐具有安全高效、施工便捷的特點，因而為越來越多的超高層建筑所使用[7,8]。在本工程實施過程中，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的及時采集與設(shè)計院的實時反饋進行匯總，加強溝通交流，優(yōu)化屈曲約束支撐的節(jié)點構(gòu)造，使屈曲約束支撐順利高精度就位，高質(zhì)量完成施工作業(yè)。