600米級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可實(shí)施性設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究

范志昂　張百振

摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，使得超高層的建筑興起；同時(shí)，也帶動(dòng)了建筑工程取材的改變。建筑鋼結(jié)構(gòu)因其強(qiáng)度較高、抗震能力較強(qiáng)等特征，逐漸應(yīng)用到超高層建筑工程中。但對(duì)于600米級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其節(jié)點(diǎn)十分復(fù)雜，施工的難度較大。因此在施工前，必須重點(diǎn)研究其實(shí)施性設(shè)計(jì)的可行性和必要性，以確保施工的質(zhì)量和安全性。

關(guān)鍵詞：600米級(jí)；超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)；實(shí)施性設(shè)計(jì)

600米級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的主體結(jié)構(gòu)與其他的超高層結(jié)構(gòu)明顯不同，屬于巨型框架核心筒伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，加之核心筒主要是通過(guò)內(nèi)嵌鋼板組成的剪力墻，相較于一般的混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力更好，且連接更為方便，但鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及施工要求較高，本文主要探討600米級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可實(shí)施性設(shè)計(jì)，以供參考。

1 工程概況

本次主要就A、B、C三座在建的600m級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，三座超高層的建筑主體結(jié)構(gòu)均為巨型框架核心筒伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系。巨型框架主要是由環(huán)帶桁架、巨型柱組合而成，核心筒屬于內(nèi)嵌單層鋼板的組合式剪力墻。上述結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸非常大，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)十分復(fù)雜，施工難度大。

A座在建工程的建筑高度是632m，地上建筑共128層，而地下建筑共5層；結(jié)構(gòu)體系中，巨型柱8根、角柱4根、無(wú)巨型支撐、伸臂桁架6道、環(huán)帶桁架8根、鋼板剪力墻B519F、鋼結(jié)構(gòu)的重量約10萬(wàn)噸。

B座在建工程的建筑高度是660m，地上建筑共115層，而地下建筑共5層；結(jié)構(gòu)體系中，巨型柱8根、無(wú)角柱、有巨型支撐、伸臂桁架4道、環(huán)帶桁架7根、鋼板剪力墻B512F、鋼結(jié)構(gòu)的重量約10萬(wàn)噸。

C座在建工程的建筑高度是636m，地上建筑共125層，而地下建筑共5層；結(jié)構(gòu)體系中，巨型柱12根、無(wú)角柱、無(wú)巨型支撐、伸臂桁架4道、環(huán)帶桁架10根、鋼板剪力墻B541F、鋼結(jié)構(gòu)的重量約8萬(wàn)噸。

2 600米級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)施工的可行性

根據(jù)三座在建600m級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，均采取的是巨型結(jié)構(gòu)體系，并包含了巨型伸臂桁架、環(huán)帶桁架以及整體式的SRC巨型柱；因此，所使用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸超大，節(jié)點(diǎn)十分復(fù)雜且巨大。

2.1 注腳節(jié)點(diǎn)

三座在建600m級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)的巨型柱腳尺寸極其巨大，其中：

A座在建工程巨型柱底板的厚度為160mm，巨型柱底板的尺寸為4100×2740mm，柱腳形式為外露式，巨型柱錨栓直徑為M60，每個(gè)巨型柱柱腳錨栓的數(shù)量為50個(gè)，巨型柱底板的錨栓孔徑為Φ90.底板錨栓孔的施工方法為后孔法。

B座在建工程巨型柱底板的厚度為150mm，巨型柱底板的尺寸為5742×2450mm，柱腳形式為埋入式，巨型柱錨栓直徑為M60，每個(gè)巨型柱柱腳錨栓的數(shù)量為23個(gè)，巨型柱底板的錨栓孔徑為Φ90，底板錨栓孔的施工方法為后孔法。

C座在建工程巨型柱底板的厚度為160mm，巨型柱底板的尺寸為3332×2230mm，柱腳形式為外露式，巨型柱錨栓直徑為M52，每個(gè)巨型柱柱腳錨栓的數(shù)量為10個(gè)，巨型柱底板的錨栓孔徑為Φ78，底板錨栓孔的施工方法為先孔法。

由上述技術(shù)指標(biāo)分析可知，柱腳節(jié)點(diǎn)施工中的最大難題是如何確保巨型柱柱腳分段安裝時(shí)，所有在混凝土大底板上的預(yù)埋錨栓能順利地穿過(guò)底板孔。但由于混凝土的大底板必須是一次性澆搗成形，且澆搗的過(guò)程中，存在巨大的水平推力，而為克服水平推力的影響，須設(shè)置柱腳錨栓以固定支架。

除此之外，為進(jìn)一步提升抗風(fēng)險(xiǎn)的系數(shù)，A、C兩座建筑巨型柱底板錨栓孔施工的方法均選擇了后孔法，此種施工方法還有一次調(diào)整的機(jī)會(huì)，能夠確保施工的萬(wàn)無(wú)一失。

2.2 鋼板剪力墻的連接節(jié)點(diǎn)

三座在建600m級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)核心筒下部所使用的均是內(nèi)嵌單層鋼板組合式剪力墻，整體均呈現(xiàn)出九宮格的形式。而鋼板剪力墻的安裝和分段通常是長(zhǎng)方形狀，豎向跨越了兩個(gè)樓層，約10m；而橫向<3.2m。[1]

鋼板剪力墻分段的上下連接節(jié)點(diǎn)主要采用的是焊接節(jié)點(diǎn)，而左右端口主要采用的是栓接節(jié)點(diǎn)，此種節(jié)點(diǎn)連接方式的最大優(yōu)勢(shì)在于加快了安裝的速度以及減少了焊接的工程量等；但缺點(diǎn)是須使用大量連接板以及高強(qiáng)螺栓，增加了工程造價(jià)。另外，還存在一個(gè)技術(shù)方面的缺陷，即螺栓穿孔率難以保證；而要進(jìn)一步保證螺栓的連接，就必須采取更為行之有效的對(duì)策，即焊接節(jié)點(diǎn)。

2.3 樓面梁和巨型柱連接節(jié)點(diǎn)

三座在建600m級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)體系施工的方案主要是核心筒領(lǐng)先外框約610層，巨型柱鋼結(jié)構(gòu)、樓面鋼梁施工同樣領(lǐng)先巨型柱外包混凝土約610層。

但由于鋼骨巨型柱的周邊，存在著比較厚的混凝土結(jié)構(gòu)，其與樓面鋼梁連接增加了施工難度，致使樓面梁和巨型柱連接節(jié)點(diǎn)也與普通鋼梁連接的節(jié)點(diǎn)大不相同。而在設(shè)計(jì)樓面梁和巨型柱連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，須考慮：①鋼梁和鋼骨巨型柱之間的可靠連接；②不會(huì)影響到巨型柱混凝土模板的建設(shè)以及爬升；③須便于巨型柱周邊的鋼筋綁扎。

2.4 伸臂桁架和核心筒的連接節(jié)點(diǎn)

三座在建600m級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)的核心筒使用的是頂模平臺(tái)系統(tǒng)以實(shí)施核心筒墻體結(jié)構(gòu)作業(yè)；而頂模系統(tǒng)將鋼筋、模板和混凝土澆筑等工程集合在一個(gè)系統(tǒng)之中，大大提升了核心筒結(jié)構(gòu)施工的效率。[2]且在實(shí)施有關(guān)作業(yè)期間，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)的全封閉，從而使高空作業(yè)轉(zhuǎn)變成平臺(tái)作業(yè)，提升了高空作業(yè)的安全系數(shù)。但由于三座在建600m級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)存在多道的伸臂桁架，其在和核心筒進(jìn)行連接時(shí)，在靠近核心筒部位處存在一個(gè)尺寸較大且超出核心筒的牛腿節(jié)點(diǎn)，嚴(yán)重妨礙了頂模平臺(tái)系統(tǒng)作業(yè)，阻礙了施工進(jìn)度；而為進(jìn)一步縮短外伸的距離，只能通過(guò)焊接節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)控制牛腿伸出的距離。

2.5 強(qiáng)化層桁架工地的連接節(jié)點(diǎn)

強(qiáng)化層桁架工地的連接節(jié)點(diǎn)主要包括：伸臂和環(huán)帶桁架、核心筒、巨型柱安裝分段的連接節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)不僅影響到結(jié)構(gòu)整體的性能，而且還關(guān)系著整個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性。

3 600米級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可實(shí)施性設(shè)計(jì)

依據(jù)三座在建600m級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)特征，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段，須考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的+可實(shí)施性，即實(shí)施性設(shè)計(jì)。在進(jìn)行實(shí)施性設(shè)計(jì)時(shí)，還必須確保：項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域?qū)嶋H情況、施工單位作業(yè)能力、設(shè)備水平等應(yīng)納入考慮的范疇內(nèi)；要擬定超重、超大構(gòu)建安裝和運(yùn)輸方案；設(shè)計(jì)文件應(yīng)包含超重、大采購(gòu)、制度和施工等的技術(shù)要求和可操作性。

3.1 柱腳節(jié)點(diǎn)可實(shí)施性設(shè)計(jì)

（1）不管是埋入式還是外露式的柱腳，其底板錨栓孔的直徑必須采用1.5倍錨栓直徑，以滿足施工的要求；

（2）巨型柱底板錨栓可選用先孔法；

（3）設(shè)計(jì)的圖紙上必須明確巨型柱、鋼板剪力墻的底板錨栓固定等措施，同時(shí)，要求施工企業(yè)制定科學(xué)、合理地專(zhuān)項(xiàng)施工方案，進(jìn)而確保錨栓準(zhǔn)確定位。

（4）根據(jù)實(shí)際底板澆筑工況計(jì)算并設(shè)置巨型柱柱腳錨栓的固定支架。

（5）施工的圖紙上，必須標(biāo)明柱腳錨栓固定支架的做法。

3.2 鋼板剪力墻的連接節(jié)點(diǎn)實(shí)施性設(shè)計(jì)

（1）鋼板剪力墻的厚度不足30mm時(shí)，上、下連接節(jié)點(diǎn)可采用焊接的方式，左、右連接節(jié)點(diǎn)則可采用焊接或栓接的方式。

（2）鋼板剪力墻的厚度在30mm及以上時(shí)，上、下、左、右連接節(jié)點(diǎn)均采用焊接的方式。

（3）若采用的是栓接方式，應(yīng)告知施工單位加入相應(yīng)的措施以確保螺栓的穿孔率。

（4）從實(shí)施性的角度來(lái)看，全焊接節(jié)點(diǎn)是較為理想的一個(gè)方案；但為進(jìn)一步克服焊接的工程量，施工人員應(yīng)積極引入高效的焊接方案。

（5）鋼板的剪力墻上應(yīng)設(shè)置混凝土流淌孔，從而避免或減小因混凝土攪拌不均勻而造成的變形，并保證鋼板剪力墻的上、下兩個(gè)連接段的垂直度。

3.3 樓面梁和巨型柱連接節(jié)點(diǎn)的實(shí)施性設(shè)計(jì)

樓面鋼梁、巨型柱鋼結(jié)構(gòu)施工是先進(jìn)行外包的混凝土施工從而致使鋼骨巨型柱的周?chē)嬖谳^厚的混凝土結(jié)構(gòu)，最終增加了樓面鋼梁的連接難度，且連接的結(jié)節(jié)也與普通的鋼梁連接節(jié)點(diǎn)不盡相同。因此，應(yīng)在巨型柱的周邊鋼梁和鋼骨間設(shè)置連接的過(guò)渡段。為進(jìn)一步確保鋼骨及其周?chē)摻畹倪B接，應(yīng)在巨型柱的周邊鋼梁過(guò)渡處保留安全儲(chǔ)備。

3.4 伸臂桁架和核心筒連接節(jié)點(diǎn)的實(shí)施性設(shè)計(jì)

伸臂桁架和核心筒連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)選用焊接方式，且施工單位還應(yīng)在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)盡可能選用焊接機(jī)器人或指定特定的工藝和流程。同時(shí)，將實(shí)施性納入到考慮的范疇內(nèi)，將連接伸臂桁架和核心筒內(nèi)柱的牛腿外伸距離控制在600mm以?xún)?nèi)。[3]

3.5 強(qiáng)化層桁架工地的連接節(jié)點(diǎn)的實(shí)施性設(shè)計(jì)

（1）應(yīng)優(yōu)先考慮焊接的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而減少吊裝分段重量、尺寸，以提升鋼結(jié)構(gòu)可實(shí)施性；（2）對(duì)于關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接的質(zhì)量提出重點(diǎn)檢測(cè)要求。

4 結(jié)論

根據(jù)600米級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑所具有的結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)在各個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期全面的引入實(shí)施性的設(shè)計(jì)，綜合考慮施工便捷性、安全性、可控性去優(yōu)化重要節(jié)點(diǎn)以便從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上及管理上確保鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪志剛.600米級(jí)超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可實(shí)施性設(shè)計(jì)重點(diǎn)探討[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2016，18（1）：6674.

[2]汪金祥，劉曙，戴維，等.BIM技術(shù)在超高層復(fù)雜外框巨柱鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2017，46（24）：7678.

[3]胡明.淺析多層及超高框架鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)連接施工方法[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016，（16）：11251127.