巨型鋼框架多核心筒結(jié)構(gòu)體系中鋼板剪力墻的安裝

中國建筑第八工程局有限公司天津分公司 天津 300452

1 工程概況

天津市濱海新區(qū)于家堡金融區(qū)起步區(qū)03-04地塊工程占地面積約3.4萬 m2，總建筑面積約19.3萬 m2，建筑高度60 m，地上12 層，地下2 層，為巨型鋼框架多核心筒結(jié)構(gòu)體系，主體結(jié)構(gòu)總用鋼量約4.5萬 t。地上設(shè)計為8 個鋼結(jié)構(gòu)核心筒體與外圍鋼管柱框架結(jié)構(gòu)拉結(jié)的形式，8 個核心筒體均由方鋼管柱、鋼板剪力墻和加勁肋、邊框梁以及鋼骨柱組成，地上核心筒鋼板剪力墻厚度有20 mm和30 mm兩種。

巨型鋼框架多核心筒結(jié)構(gòu)形式效果圖、核心筒鋼結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

圖1 巨型鋼框架多核心筒結(jié)構(gòu)體系效果圖

2 鋼板剪力墻安裝關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體安裝方法

于家堡金融區(qū)起步區(qū)03-04地塊工程地上8 個核心筒邊框柱間自首層至12層均設(shè)置有鋼板剪力墻，由于鋼板剪力墻在結(jié)構(gòu)正常使用過程中作為一抗側(cè)力構(gòu)件，不承擔(dān)豎向荷載。因此，采取先安裝鋼板剪力墻并臨時固定，保證在主體鋼結(jié)構(gòu)安裝施工前使鋼板剪力墻不受豎向力，待全部鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢后再進(jìn)行焊接施工，最后達(dá)到整個核心筒鋼結(jié)構(gòu)整體受力的狀態(tài)。具體步驟如下：

圖2 核心筒鋼結(jié)構(gòu)示意

1）首先按照設(shè)計圖紙要求，吊裝鋼板剪力墻兩側(cè)鋼管邊框柱，隨后進(jìn)行柱間焊接施工。

2）在鋼結(jié)構(gòu)加工廠內(nèi)將鋼板剪力墻頂面與邊框梁下翼緣拼裝完成，運送至現(xiàn)場后整體進(jìn)行吊裝，若構(gòu)件自重較大，則需分段吊裝，如圖3所示。

3）吊裝后，邊框梁與兩側(cè)鋼管邊框柱伸出的牛腿焊接施工，之后采用螺栓將鋼板剪力墻兩側(cè)邊與鋼管邊框柱附帶板邊通過預(yù)留孔臨時固定牢固。鋼板剪力墻底邊自由，如圖4所示。

4）上述做法反復(fù)進(jìn)行至全部鋼結(jié)構(gòu)安裝完成，隨后將鋼板剪力墻兩側(cè)與鋼管邊框柱附帶板、底部與邊框梁上翼緣附帶板采取雙夾板與角焊縫的焊接方式進(jìn)行拼接，拼接完成后取出臨時固定螺栓，完成施工。

圖3 鋼板剪力墻整體吊裝

圖4 鋼板剪力墻與邊框柱附帶板螺栓連接臨時固定

2.2 鋼板墻焊接時間的分析確定

鋼板剪力墻作為一種抗側(cè)力構(gòu)件，具有較大的彈性初始剛度，當(dāng)承受外力作用時其變形能力大，具有很好的塑性和穩(wěn)定的滯回特性。因上述特點并結(jié)合鋼板剪力墻自身的形狀特征，由于其寬厚比大，在側(cè)向力較小時易發(fā)生局部屈曲，同時隨著側(cè)向力逐漸增大，拉力沿著鋼板墻角向傳遞至周邊梁柱節(jié)點位置，從而對邊框柱形成附加彎矩。

通過上述分析可知，在進(jìn)行鋼板剪力墻體安裝施工時，鋼板剪力墻焊接前整個鋼結(jié)構(gòu)體系需全部安裝完成，結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定后即可進(jìn)行鋼板剪力墻的焊接施工。

2.3 大尺度鋼板剪力墻焊接施工過程數(shù)值模擬和焊接工藝的確定

由于本工程鋼板剪力墻平面尺寸大，邊框構(gòu)件約束作用強(qiáng)，焊接時會產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力及變形。鑒于國內(nèi)外對此類剪力墻的施工方法缺乏相關(guān)經(jīng)驗，針對本項目擬選取2 種典型區(qū)格的剪力墻（板厚分別考慮30 mm、20 mm），如圖5所示。

圖5 典型區(qū)格的鋼板剪力墻體

采用ABAQUS軟件建立典型區(qū)格的三維鋼板剪力墻實體模型，考慮熱-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)，通過焊接方案數(shù)值分析比較，對焊接工藝進(jìn)行評定，確定合理的施焊順序，減小焊接應(yīng)力和變形。具體思路如下：

模壓工藝參數(shù)對聚酰亞胺樹脂壓縮強(qiáng)度的影響及其數(shù)學(xué)模型的建立方 琳 BURYA A I俞鳴明任慕蘇 KALINICHENKO C B EREMINA E A (2,272)

1）針對典型區(qū)格1和2，建立簡化合理的三維實體模型，包括梁柱、鋼板剪力墻、焊縫（與剪力墻連接的兩側(cè)邊和底部焊縫）等；

2）根據(jù)施焊工藝與次序，進(jìn)行焊接施工熱分析模擬，計算出焊接過程中鋼板剪力墻的溫度場分布；

3）根據(jù)溫度場分布，對鋼板剪力墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計算出鋼板剪力墻的焊接殘余應(yīng)力和變形；

4）通過對比分析、計算并進(jìn)行上述步驟焊接方案計算比較，最終確定鋼板剪力墻合理的焊接工藝、施焊順序，即總體焊接自上而下逐層進(jìn)行，單層鋼板剪力墻體焊接施工時，先兩側(cè)、后底部，兩側(cè)施焊對稱同時自上而下進(jìn)行的焊接施工順序。

2.4 鋼板墻的應(yīng)力、應(yīng)變和變形監(jiān)測

2.4.1 主體鋼結(jié)構(gòu)安裝施工順序

本工程地上主體鋼結(jié)構(gòu)安裝施工通過建立模型、分析計算以及施工方案的論證優(yōu)化得出鋼結(jié)構(gòu)安裝基本施工順序為：

1）第1階段：完成對1～7層（30 m以下）結(jié)構(gòu)的施工；

（2）對1～7層（30 m以下）鋼管柱澆筑混凝土。

2）第2階段：完成8～12層結(jié)構(gòu)的施工；

（1）先不澆筑鋼管柱里的混凝土，按分層找平法完成8～12層鋼板墻吊裝、框架、桁架的安裝和樓板的施工；

（2）對8～12層鋼管柱澆筑混凝土。

3）第3階段：自上而下焊接完成1～12層鋼板剪力墻。

2.4.2 鋼板剪力墻監(jiān)測設(shè)備及測試范圍

根據(jù)工程周期長、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的特點，鋼板剪力墻監(jiān)測設(shè)備選用振弦式傳感器，其具有抗干擾能力強(qiáng)、受電參數(shù)影響小、零點飄移小、溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐振動、壽命長等特點，且不受電纜長度的影響并在使用區(qū)間有限部位僅需一個小截面即可安裝。同時，采用TPS1000高精度精密全站儀進(jìn)行鋼板剪力墻的變形測試。

選取的測試范圍：

1）1#、2#、7#、8#核心筒位于M和K軸線上2層至12層鋼板剪力墻應(yīng)力；

2）3#、4#、5#、6#核心筒位于10和16軸線上2層至12層板剪力墻應(yīng)力；

3）3#、4#、5#、6#核心筒位于10和16軸線上邊框柱水平變形；

4）3#、4#、5#、6#核心筒位于10和16軸線上邊框柱豎向壓縮變形。如圖6所示。

圖6 測試部位布置

2.4.3 鋼板剪力墻監(jiān)測施工

施焊前，將鋼板的表面清潔干凈，不能有氧化物或污染物，以免影響焊接質(zhì)量，距離焊縫20 cm（傳感器安裝位置處）要把防銹漆刮掉以提高該位置熱能釋放能力。在測試過程中詳細(xì)記錄了施焊位置及相應(yīng)時間，焊接過程中，在現(xiàn)場全程對溫度和應(yīng)變傳感器實施數(shù)據(jù)采集，通過紅外測溫儀密切監(jiān)控傳感器處鋼板溫度，確保傳感器處于正常工作溫度范圍內(nèi)工作，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)正確有效。剪力墻的平面外變形測試采用全站儀測試，僅測試焊接施工完成后的變形。

2.4.4 鋼板剪力墻監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)安裝施工順序，通過采用上述監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測方法并結(jié)合施工模擬分析得知，焊接完成1～12軸鋼板剪力墻后結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力理論分析如圖7～圖9所示。

圖7 建立施工模型分析

圖8 柱最大水平位移、豎向壓縮變形

圖9 鋼板墻理論應(yīng)力、應(yīng)變分析

上圖中理論分析的具體數(shù)值和通過上述理論分析指導(dǎo)、經(jīng)現(xiàn)場實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)對比如表1所示：

表1 不同施工階段柱和鋼板墻理論應(yīng)力、實際應(yīng)力、變形值

通過上述分析得知，測得的鋼板剪力墻及柱的應(yīng)力、應(yīng)變和變形實際監(jiān)測數(shù)據(jù)均低于理論分析值，鋼結(jié)構(gòu)整體安裝施工處于安全可控狀態(tài)，能夠滿足要求。

3 結(jié)語

于家堡金融區(qū)起步區(qū)03-04地塊工程巨型鋼框架多核心筒結(jié)構(gòu)體系中鋼板剪力墻安裝施工關(guān)鍵技術(shù)，充分考慮了鋼板剪力墻作為抗側(cè)力構(gòu)件在鋼結(jié)構(gòu)體系中的受力特點。通過臨時固定、后焊接以及采用熱-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)分析確定合理的焊接施工順序并利用監(jiān)測手段對理論數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析等方式，使得鋼板剪力墻的變形得到控制，解決了鋼板剪力墻在鋼結(jié)構(gòu)未完全加載受側(cè)向力較小時易發(fā)生局部屈曲，從而形成拉力帶最終對柱形成附加彎矩的難題。同時鋼板剪力墻后焊接不占用主導(dǎo)工序時間，節(jié)約工期、降低施工難度、保證施工質(zhì)量，為類似工程施工提供了借鑒。該項鋼板剪力墻安裝施工方法已申請了國家專利，專利號為201210109137.1。