超高層高懸連跨轉(zhuǎn)換鋼桁架設(shè)計(jì)與施工技術(shù)探討

朱文峰 任青峰 唐志超

【摘要】本文針對(duì)轉(zhuǎn)換鋼桁架高懸連跨閉合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)比分析了多種安裝方法，其中通常的高空懸拼法、單元或整體提升法存在明顯的局限性。最終確定分條分塊+胎架組合安裝法后，簡(jiǎn)要闡述了結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐帧惭b順序、施工模擬、厚板焊接質(zhì)量控制及不等厚板對(duì)接處理、高空安全防護(hù)等方面的內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu);轉(zhuǎn)換桁架;組合結(jié)構(gòu);單元吊裝;厚板焊接

【中圖分類號(hào)】TU758.11

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）11-0097-05

目前，超高層建筑向功能多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化逐步發(fā)展，越來越多超高層建筑需以巨型框架+核心筒+加強(qiáng)桁架等的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，其轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)亦趨向節(jié)點(diǎn)復(fù)雜化、形式多樣化、構(gòu)件大型化發(fā)展。對(duì)于超高層建筑而言，轉(zhuǎn)換加強(qiáng)桁架層的設(shè)計(jì)與施工是最為復(fù)雜和重要的環(huán)節(jié)，其構(gòu)件安裝精度、焊接質(zhì)量要求高，但往往由于施工環(huán)境復(fù)雜、桁架結(jié)構(gòu)形式多樣、截面大、厚度大、材質(zhì)性能要求高，存在不等厚板對(duì)接、變截面、節(jié)點(diǎn)處焊接應(yīng)力復(fù)雜多變、施工技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)。因此，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、單元?jiǎng)澐?、安裝方法的選擇、安裝順序、施工模擬、厚板焊接質(zhì)量控制、高空安全防護(hù)至關(guān)重要。

1.工程概括

塔樓地下3層，地上41層，結(jié)構(gòu)總高度175.7m，標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸46.2m×46.2m，其中-3F和-2F層平面布置8根CFRT柱，1F、2F層高11.1m，3F、4F層高5.1m，5F-41F標(biāo)準(zhǔn)層層高4.1m，3F～6F為W形轉(zhuǎn)換鋼桁架。桁架標(biāo)準(zhǔn)跨單跨總長(zhǎng)20.2m，懸挑部分水平向?yàn)閷?duì)稱折線形式，單邊總長(zhǎng)10.6m，總高18.55m，吊裝凈高最大值46m。桁架層整體效果見圖1。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

塔樓轉(zhuǎn)換鋼桁架為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)類型，能夠有效地發(fā)揮鋼構(gòu)件、鋼-混凝土組合構(gòu)件及混凝土構(gòu)件的各自優(yōu)點(diǎn)，提供更高的承載力和更好的延性。結(jié)構(gòu)體系為環(huán)向連續(xù)閉合的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)高寬比較大，核心筒鋼骨環(huán)帶與外框之間采用鋼箱梁、鋼梁連接以利用外框柱的軸向剛度，從而提高框架+核心筒組合結(jié)構(gòu)的整體抗傾覆能力[1]。桁架外框CFT柱截面類型主要有矩形、方形，桁架以上標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)CFT柱截面類型主要是圓形，核心筒承擔(dān)了大部分的豎向和水平荷載，作為超高層建筑的第一道防線，采用SRC柱。圓形CFT柱是最理想的截面形式，其管外壁對(duì)管內(nèi)混凝土的約束是均勻的向心力，而管外壁自身在管內(nèi)混凝土向外擠壓力的作用下，只產(chǎn)生環(huán)向拉力，因而約束效果最佳，相對(duì)鋼材需求量也最少，最經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)凈空較大;而多邊形、矩形、方形截面CFT柱，由于直線段一面鋼管外壁在管內(nèi)混凝土向外擠壓力的作用下會(huì)趨于產(chǎn)生一定量的彎曲變形，從而削弱了對(duì)管內(nèi)混凝土的約束作用，一定程度削弱了軸向抗壓能力，雖然管外壁對(duì)管內(nèi)混凝土的約束不如圓鋼管效果理想，但因鋼材本身優(yōu)良的剛度、抗拉特性等，使得多邊形、矩形、方形截面CFT柱的效果仍然很好。

在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合理高效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系不但可以節(jié)約材料用量、縮短工期，還可以增加建筑空間的有效使用面積。SRC柱和 CFT柱是目前兩種最常用的框架柱截面類型，兩者的力學(xué)性能、施工性能和經(jīng)濟(jì)性等各有優(yōu)劣，對(duì)其綜合比較如表1。

3.單元?jiǎng)澐?/p>

桁架層結(jié)構(gòu)體系體量極大，安裝前需對(duì)其合理規(guī)劃與分節(jié)設(shè)計(jì)，以利于加工制作、運(yùn)輸堆放與吊裝。桁架水平向宜劃分為多個(gè)安裝單元組織流水施工，以相鄰兩主柱間為一個(gè)安裝單元，每個(gè)安裝單元由上弦鋼箱梁、下弦鋼箱梁、斜撐腰箱梁、CFRT柱及四類關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)單元組成，其CFRT柱較大截面2100mm×1350mm×80mm，高度13.95m，總重63.55t;腰箱梁截面1800mm×1350×80mm，長(zhǎng)度13.7m，總重51.4t;上下弦箱梁較大截面1400mm×1350×80mm，長(zhǎng)度16.8m，總重54.7t。結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度最小值13m以上，最小荷載500KN以上，考慮運(yùn)輸線路、車輛超長(zhǎng)、施工場(chǎng)地鄰接城市次干路、支路，一側(cè)道路紅線緊接居民、商業(yè)樓等因素，即使使用液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)也難以保障小半徑轉(zhuǎn)彎需求，因此，桁架豎向宜分兩節(jié)以2層[2]為一個(gè)安裝單元或者適當(dāng)增加節(jié)點(diǎn)高度以減小主柱、弦梁、腰梁長(zhǎng)度，盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)焊縫數(shù)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)單元整體化、預(yù)制裝配式施工，后者為最佳方案，同時(shí)需注意分節(jié)位置宜在梁頂標(biāo)高以上l.0m～1.3m[2]處。單元構(gòu)件在工廠預(yù)制預(yù)拼裝，現(xiàn)場(chǎng)吊裝與焊接，內(nèi)部混凝土在柱安裝完畢后灌注，灌注作業(yè)應(yīng)與鋼桁架的流水施工工況相適應(yīng)。桁架結(jié)構(gòu)體系單元?jiǎng)澐质疽庖妶D2。

4.安裝方法選擇

依據(jù)轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)施工條件，可采用高空懸拼法、單元或整體提升法、分條分塊吊裝法、胎架安裝法及其組合方法進(jìn)行安裝。因桁架結(jié)構(gòu)安裝單元多，單跨跨度不是很大，但總重約3000t，體量極大，其中單元或整體提升法存在明顯的局限性。對(duì)比分析最終選擇了分條分塊+胎架組合安裝法。

4.1高空懸拼法

利用轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理安排施工流程，按結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐智闆r進(jìn)行高空懸拼，逐步完成安裝，讓結(jié)構(gòu)自成體系，使先安裝完成的結(jié)構(gòu)能夠承受后安裝構(gòu)件的自重與其他施工荷載，采用連接短梁輔以鋼絲繩懸拉固定措施，保證桁架的穩(wěn)定性。

優(yōu)點(diǎn)：施工速度快、工期短、成本較低。

缺點(diǎn)：懸拉鋼絲繩的選擇設(shè)置較難，穩(wěn)定性差，對(duì)已完成主體結(jié)構(gòu)影響較大，安裝精度控制較為困難。

4.2分條分塊+胎架組合安裝法

在轉(zhuǎn)換桁架下部樓層承重結(jié)構(gòu)上布設(shè)臨時(shí)支撐胎架，利用胎架分條分塊按單元?jiǎng)澐智闆r進(jìn)行安裝與焊接后，整體卸載，卸載后拆除胎架，使結(jié)構(gòu)體系受力達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)[4]。

缺點(diǎn)： 增加額外的胎架費(fèi)用; 卸載后，胎架位于下弦箱梁與懸挑梁下方，拆除較為困難。

優(yōu)點(diǎn)： ①桁架按普通的分條分塊安裝方法進(jìn)行，最后一安裝單元合攏施工完畢，完成整體結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化后，整體卸載，施工中后荷載傳遞更符合設(shè)計(jì)狀態(tài);②結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性好，安裝精度有保障;③為安全防護(hù)設(shè)施搭設(shè)提供便利，施工安全性更有保障。④胎架結(jié)構(gòu)可預(yù)制拼裝，施工速度快、工期短[4]。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，綜合分析采用分條分塊+胎架組合安裝法最優(yōu)，能實(shí)現(xiàn)在滿足安全性的前提下，建造質(zhì)量更優(yōu)的工程。臨時(shí)支撐胎架布設(shè)見圖3。

5.安裝順序

5.1整體實(shí)施流程

鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→深化設(shè)計(jì)→施工設(shè)計(jì)→確定安裝順序→施工模擬→吊裝焊接→測(cè)量監(jiān)測(cè)→質(zhì)量檢查驗(yàn)收→上部結(jié)構(gòu)施工→變形監(jiān)測(cè)。

5.2桁架安裝

桁架安裝分三部分進(jìn)行： 桁架外框、核心筒勁性鋼骨及其之間的鋼梁、鋼箱梁、鋼懸梁安裝，核心筒領(lǐng)先于外框施工，因此先安裝核心筒勁性鋼骨，再安裝外框，最后安裝系梁部分，整體安裝遵循“由內(nèi)向外、自下而上，先柱后梁，水平向順序循環(huán)交替進(jìn)行”的原則，桁架整體水平向吊裝順序見圖4。主要吊裝設(shè)備采用履帶式起重機(jī)+塔式起重機(jī)組合方案，利用塔式起重機(jī)進(jìn)行核心筒勁性鋼骨與其他小單元構(gòu)件吊裝，履帶式起重機(jī)進(jìn)行外框結(jié)構(gòu)單元吊裝，見圖5。吊裝設(shè)備的提升高度、跨度應(yīng)滿足實(shí)際結(jié)構(gòu)最大高跨需求，安裝單元內(nèi)的最重構(gòu)件應(yīng)在吊裝設(shè)備的起重能力范圍內(nèi)。

以外框安裝舉例闡述桁架的詳細(xì)安裝順序：按圖①→②→③→④→⑤→⑥或①→③→②→④→⑤→⑥的順序進(jìn)行，其中下弦鋼箱梁應(yīng)領(lǐng)先于懸挑方形鋼管柱吊裝，就位后用連接短梁結(jié)合可調(diào)倒鏈、纜風(fēng)繩拉緊固定，必要時(shí)設(shè)臨時(shí)牛腿支撐，見圖6。

桁架層整體安裝步驟舉例：①臨時(shí)支撐胎架布設(shè)→②桁架底部K形節(jié)點(diǎn)安裝→③下弦鋼箱梁安裝→④矩形、方形鋼管柱安裝→⑤桁架頂部節(jié)點(diǎn)、斜撐腰箱梁安裝→⑥上弦鋼箱梁安裝→⑦循環(huán)上述步驟進(jìn)行下一結(jié)構(gòu)單元安裝→⑧最后一結(jié)構(gòu)單元閉合安裝→⑨拆除臨時(shí)胎架。見圖7。

5.3施工模擬分析

確定了安裝方法、流程、順序和具體實(shí)施步驟后，為確保施工全過程各結(jié)構(gòu)單元的受力、變形在設(shè)計(jì)和規(guī)范允許范圍內(nèi)工作，需采用ETABS、MIDAS Gen、ABAQUS等有限元分析軟件對(duì)施工中主體及臨時(shí)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析驗(yàn)算，其驗(yàn)算結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。主要分析驗(yàn)證的內(nèi)容包含胎架基礎(chǔ)、胎架結(jié)構(gòu)自身、桁架層各結(jié)構(gòu)單元及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)等部位的應(yīng)力及變形值，模擬分析時(shí)荷載的加載、基本假定及結(jié)構(gòu)模型應(yīng)與施工工況順序一致，逐步驗(yàn)證，并充分考慮最不利施工工況處于安全狀態(tài);荷載組合和荷載分項(xiàng)系數(shù)取值，應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009 等的有關(guān)規(guī)定。桁架結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)不應(yīng)小于 0.9，胎架基礎(chǔ)及其結(jié)構(gòu)自身重要性系數(shù)不應(yīng)小于1.0，懸吊狀態(tài)的結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)恿ο禂?shù)不宜小于1.1[2]。

模擬驗(yàn)算一定程度上驗(yàn)證了施工設(shè)計(jì)的安全、可行性， 也可根據(jù)模擬計(jì)算的變形差值，在結(jié)構(gòu)懸挑部位適當(dāng)起拱，確保建筑使用階段樓面板、梁部等保持在設(shè)計(jì)要求的水平狀態(tài)。

6.厚鋼板焊接質(zhì)量控制

為了減小桁架結(jié)構(gòu)單元對(duì)接與節(jié)點(diǎn)焊縫部位復(fù)雜多變的焊接應(yīng)力，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)宜工廠制作，現(xiàn)場(chǎng)與箱梁、管柱對(duì)接，建筑底層8根CFRT柱截面3400mm×2300×60mm，桁架層管柱、箱梁最大截面尺寸2100mm×1350mm×80mm，主材材質(zhì)為Q390GJC，對(duì)口采用全熔透焊縫，主要對(duì)接口均為一級(jí)焊縫。焊接總體順序應(yīng)與吊裝工況一致，由于結(jié)構(gòu)單元截面較大，因此同一截面的焊接應(yīng)遵循“先內(nèi)部后外部、前后左右對(duì)稱，同時(shí)同向同規(guī)范施焊”的原則，見圖8，桁架層關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)形式、連接形式見圖9、圖10。

6.1焊接前準(zhǔn)備

選用Q390GJC鋼板作為40mm、60mm與80mm厚箱形構(gòu)件母材，應(yīng)嚴(yán)格控制硫含量，選用低氫型藥芯焊絲;采用CO2氣體保護(hù)焊接方法;構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)后按規(guī)定進(jìn)行入場(chǎng)檢查與驗(yàn)收。

施工單位應(yīng)配備符合焊接工藝技術(shù)要求的焊接技術(shù)人員、檢驗(yàn)人員、檢測(cè)人員及焊工，各類人員應(yīng)具備相應(yīng)的資格證書，并在證書合格項(xiàng)目、合格范圍及有效期內(nèi)從事相應(yīng)的工作。對(duì)首次采用的鋼材、焊材、焊接方法、接頭形式、焊接位置、焊后熱處理等參數(shù)及參數(shù)組合，應(yīng)在施工前進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)[2]。試驗(yàn)的方法與要求應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661的有關(guān)規(guī)定。并應(yīng)依據(jù)試驗(yàn)報(bào)告編制詳細(xì)的焊接工藝作業(yè)指導(dǎo)書，焊接作業(yè)環(huán)境溫度、濕度等條件應(yīng)符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，考慮北方氣候條件與焊接方法，其作業(yè)區(qū)最大風(fēng)速利用下述安全操作平臺(tái)結(jié)合必要的擋風(fēng)設(shè)施控制在2m/s以內(nèi)。

6.2現(xiàn)場(chǎng)焊接

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，嚴(yán)格按照焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)報(bào)告、焊接工藝作業(yè)指導(dǎo)書、厚板焊接專項(xiàng)方案的要求控制施焊作業(yè)參數(shù)，焊口兩側(cè)預(yù)熱加熱寬度不小于施焊部位板厚的1.5倍，且≥100mm;后熱時(shí)間按每25mm板厚≥0. 5h且最短時(shí)間≥1h確定[4];由于結(jié)構(gòu)單元截面大、厚度大、填充量大，應(yīng)堅(jiān)持分段對(duì)稱、分層多道同時(shí)同向同參數(shù)施焊，使焊接應(yīng)力分布均勻，減少應(yīng)力集中;并應(yīng)先施焊收縮量較大的部位、后施焊收縮量較小的部位，對(duì)接縫應(yīng)在拘束較小的狀態(tài)下施焊，且斜撐腰梁、鋼箱梁、鋼梁等結(jié)構(gòu)單元不得兩端同時(shí)施焊。

6.3不等厚板處理

桁架是對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)層，大多會(huì)涉及不等厚板問題，常用的處理方法有對(duì)厚板削薄、薄板加厚、利用對(duì)接焊口焊縫平緩過度、設(shè)中隔板等，見圖11。綜合分析比較，使用超大型構(gòu)件厚板結(jié)構(gòu)時(shí)設(shè)中隔板效果最佳，結(jié)構(gòu)受力、荷載傳遞最為合理，同時(shí)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的坡口形式，利于保證焊接質(zhì)量。

7.高空安全防護(hù)

為保證結(jié)構(gòu)單元吊裝、焊接等作業(yè)過程中施工人員有相對(duì)舒暢的安全操作空間，需隨桁架結(jié)構(gòu)的安裝進(jìn)度，在支撐胎架與已完成的下部結(jié)構(gòu)柱頂端搭設(shè)懸挑式安全操作平臺(tái)，在柱與胎架一側(cè)搭設(shè)垂直登高鋼梯，在鋼梁上搭設(shè)自立式雙道安全繩，實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)安全防護(hù)的要求，見圖12。

小單元構(gòu)件、高空散件等安裝時(shí)，施工下方必須采用軟性安全防護(hù)網(wǎng)封閉，見圖13。在首層桁架下方平面區(qū)域及起重機(jī)作業(yè)范圍必須設(shè)警戒區(qū)，施工期間派專人值守，嚴(yán)禁非作業(yè)人員進(jìn)入[5]。

8.結(jié)語

在超高層轉(zhuǎn)換鋼桁架設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮房屋建筑的使用功能、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及承載力要求，還要考慮實(shí)際施工的可行性，特別要考慮加工制作、安裝技術(shù)水平、運(yùn)輸及施工現(xiàn)場(chǎng)條件等因素。對(duì)施工單位而言，必須嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家、行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，仔細(xì)研讀設(shè)計(jì)文件要求，精心組織施工設(shè)計(jì)、策劃工作，嚴(yán)格按獲批的施工方案、技術(shù)措施、作業(yè)指導(dǎo)書等施工，同時(shí)對(duì)各結(jié)構(gòu)單元、節(jié)點(diǎn)的安裝位置、標(biāo)高仔細(xì)測(cè)量校正，對(duì)結(jié)構(gòu)變形不間斷觀測(cè)，控制安裝精度、焊接質(zhì)量，在確保安全的前提下建造高質(zhì)量的精品工程。

參考文獻(xiàn)

[1]馬星，狄春良等.高強(qiáng)鋼材鋼結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用[D].第十一屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)，2011.

[2]《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》GB50755-2012[S].

[3]《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661-2011[S].

[4]劉寧波，張振興等.超高層建筑高空懸挑轉(zhuǎn)換鋼桁架施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2014（8）.

[5]《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50300-2013[S].

（作者單位：鄭州寶冶鋼結(jié)構(gòu)有限公司）