外包式鋼板組合剪力墻施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

王朋舉 朱文峰 滑曉松

0 引言

剪力墻是超高層結(jié)構(gòu)體系中一種重要的抗側(cè)力構(gòu)件。在地震作用下，核心筒剪力墻承擔(dān)了大部分地震剪力，同時(shí)起到了耗散地震能量的重要作用，是超高層結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵構(gòu)件。超高層建筑重力荷載巨大，豎向構(gòu)件要除承受很大的豎向荷載外，也能有效抵抗風(fēng)荷載和地震作用。為滿足結(jié)構(gòu)的承載力及延性的要求，充分發(fā)揮鋼材與混凝土的強(qiáng)度，降低構(gòu)件尺寸，減輕建筑自重，提高建筑使用空間，鋼板組合剪力墻在超高層建筑領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，例如：上海中心、武漢中心、深圳平安國(guó)際金融中心、天津高銀117 大廈、北京財(cái)富中心二期辦公樓等。

自20 世紀(jì)60 年代起國(guó)內(nèi)外相繼提出并研究了多種結(jié)構(gòu)類型的鋼板墻：非加勁厚鋼板墻、加勁薄鋼板墻、開縫鋼板墻、開洞鋼板墻、壓型鋼板墻、防屈曲鋼板墻及組合鋼板墻等。以下結(jié)合工程實(shí)踐從深化設(shè)計(jì)、安裝技術(shù)角度出發(fā)簡(jiǎn)要分析討論外包式鋼板組合剪力墻（以下簡(jiǎn)稱“鋼板組合剪力墻”）的施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概括

珠海橫琴臺(tái)商總部大廈項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土鋼梁框架-鋼板組合剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)體系，地下4 層，地上33層，結(jié)構(gòu)總高度149.3m，主要由外框矩形框架、核心筒端柱、鋼梁、鋼板墻等組成。組合鋼板剪力墻厚度450mm,鋼板厚度10～16mm，橫向每隔800mm 豎向設(shè)置50mm×50mm 角鋼。整體結(jié)構(gòu)模型與建筑效果如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)模型與建筑效果

2 鋼板性能

鋼板墻平面布置由L 形、T 形、一字形三種基本形式相結(jié)合組成核心筒鋼板剪力墻，除特殊說明外，地下室及加強(qiáng)區(qū)鋼板墻板厚tw=14mm，材質(zhì)均為Q345B，鋼板墻墻體、鋼板厚度隨樓層高度漸變特性如圖2 所示（3 層及以下端柱鋼板厚度少量為20mm、18mm）。

圖2 鋼板墻墻體、鋼板厚度漸變特性

地下室及加強(qiáng)區(qū)設(shè)計(jì)與施工是本超高層建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)最復(fù)雜、難度最高的部位，因此僅以此環(huán)節(jié)為研究對(duì)象進(jìn)行分析闡述。

（1）鋼板墻端柱類型主要有四種，截面特性如圖3 所示，端柱定位如圖4 所示。

圖3 端柱截面特性

圖4 端柱定位

（2）鋼板墻墻體結(jié)構(gòu)形式主要分兩種：

①-1 至4 層底部加強(qiáng)區(qū)有間隔肋鋼板墻如圖5 所示，靠近端柱區(qū)段兩端分別內(nèi)設(shè)8mm 厚兩道同一樓層內(nèi)貫通的豎向間隔肋，間隔肋間距均為tw×50mm，與端柱間隔200mm，間隔肋可起到約束、加勁、防變形的作用。②-4 至-2 與5 至33層無間隔肋鋼板墻如圖6 所示。

圖5 有間隔肋鋼板墻

圖6 無間隔肋鋼板墻

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析：本工程鋼板墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，雙鋼板內(nèi)側(cè)豎向設(shè)有T 型或L 型加勁肋（T 型或L 型加勁肋橫向間距為tw×50mm）與內(nèi)灌混凝土共同作用，使鋼與混凝土充分結(jié)合組成一種外包式雙鋼板混凝土組合剪力墻，此種新型的鋼板墻已被證明是一種有效的抗側(cè)力體系，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足體系受力合理的前提下，結(jié)合墻體、鋼板厚度漸變特性同時(shí)達(dá)到最優(yōu)化節(jié)材降耗的目的。

3 深化設(shè)計(jì)分析

鋼結(jié)構(gòu)下料前，應(yīng)由有資質(zhì)的專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)公司依據(jù)原設(shè)計(jì)施工圖，結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分考慮實(shí)際施工的可行性，特別是加工制作、安裝技術(shù)水平、運(yùn)輸及施工現(xiàn)場(chǎng)條件等因素進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。

（1）關(guān)鍵技術(shù)一：本工程采用Tekla Structures 19.1 進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，依據(jù)原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)豎向間隔肋布設(shè)情況，針對(duì)不同高跨、不同厚度的鋼板墻在雙鋼板間設(shè)連接件，布設(shè)如圖7所示。

圖7 連接件布設(shè)

特點(diǎn)分析：連接件可采用板件、角鋼、圓鋼等進(jìn)行豎向、橫向或梅花形布設(shè)，將雙鋼板組合成整體式塊單元構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)裝配式施工的目的，同時(shí)防止了鋼板墻構(gòu)件在裝卸車、運(yùn)輸、安裝過程中發(fā)生變形及灌注混凝土過程中墻體不均勻受力導(dǎo)致焊縫局部受力過大而撕裂或墻板鼓脹變形等現(xiàn)象。相關(guān)研究證明梅花形布設(shè)防變形效果最好，但實(shí)際應(yīng)用應(yīng)在能滿足設(shè)計(jì)要求的前提下考慮施工性、經(jīng)濟(jì)性等因素，本工程采用14mm×100mm 的板件豎向布設(shè)，取材便利、制作簡(jiǎn)單、利于混凝土施工，能同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方便的要求。

（2）關(guān)鍵技術(shù)二：深化設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)上下節(jié)鋼板墻安裝接縫部位及與端柱接縫部位陽面增設(shè)臨時(shí)固定連接板，與端柱接縫部位陰角在安裝過程中增設(shè)角鋼對(duì)撐件，連接板規(guī)格：18mm×135mm×250mm，采用雙面角焊縫焊接連接。鋼板墻長(zhǎng)度為3 000～3 500mm，高度為6 000mm 時(shí)，長(zhǎng)度方向近似三等分布設(shè)，高度方向近似四等分布設(shè)；鋼板墻長(zhǎng)度為6 000～9 000mm 時(shí)，高度為3 000mm 時(shí)，長(zhǎng)度方向近似四等分布設(shè)，高度方向近似三等分布設(shè)。連接板及陰角對(duì)撐件布設(shè)示意如圖10 所示。

圖8 臨時(shí)固定連接板及角鋼對(duì)撐布設(shè)示意

圖9 施工流程圖

圖10 塔吊布置示意

安裝臨時(shí)固定連接板，同時(shí)可兼做吊耳使用，并確保了上下節(jié)鋼板墻安裝過程的安全性，有效防止現(xiàn)場(chǎng)焊接過程焊縫的不均勻收縮導(dǎo)致構(gòu)件移位變形等現(xiàn)象。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 施工總體思路

綜合考慮施工進(jìn)度和施工過程中鋼板墻的剛度和穩(wěn)定性按照以下步驟施工。

4.2 鋼板墻安裝技術(shù)

（1）安裝工藝流程如表1所示。

表1 鋼板墻安裝工藝流程

（2）安裝方法

采用兩臺(tái) TC8039-25 塔吊設(shè)在作業(yè)區(qū)兩側(cè)進(jìn)行吊裝，塔吊布置如圖11 所示。

塔吊最大起重能力25t，臂長(zhǎng) 65 m，考慮最不利條件時(shí)節(jié)選舉例對(duì)一個(gè)施工段內(nèi)的鋼板墻構(gòu)件吊裝進(jìn)行工況分析如表2所示。

表2 鋼板墻塊單元構(gòu)件吊裝工況分析（部分單元）

4.3 起吊過程仿真模擬

工程實(shí)踐中宜采用計(jì)算軟件仿真模擬，對(duì)鋼板墻安裝前（裝卸車、運(yùn)輸、平置時(shí)）、吊裝過程、焊接過程、墻內(nèi)混凝土澆筑過程、混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定后各階段進(jìn)行塊單元構(gòu)件、結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力應(yīng)變分析，例如：李健等分析研究了混凝土澆筑及硬化過程對(duì)外側(cè)雙鋼板的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，郭小農(nóng)等對(duì)雙鋼板在施工過程中的平面外初始變形和初始應(yīng)力影響下的抗震性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，諸多學(xué)者對(duì)混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定后的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了廣泛的研究。

以下采用Midas gen 有限元分析軟件對(duì)鋼板墻塊單元構(gòu)件起吊過程中的應(yīng)力、變形變化規(guī)律進(jìn)行分析研究：考慮最不利工況時(shí)對(duì)兩種基本類型的鋼板墻（3 290mm×6 000mm、9 040mm×3 000mm）選取3 290mm×6 000mm 規(guī)格的構(gòu)件進(jìn)行仿真模擬分析應(yīng)力、變形變化特性，鋼板墻塊單元構(gòu)件基本參數(shù)如表3 所示，選取四種起吊過程狀態(tài)進(jìn)行模擬分析如表4 所示，其應(yīng)力、變形變化特性如圖11 所示。

圖11 應(yīng)力、變形變化特性

表3 鋼板墻塊單元構(gòu)件基本參數(shù)

表4 鋼板墻塊單元構(gòu)件起吊過程模擬分析

續(xù)表4

根據(jù)鋼板墻塊單元構(gòu)件起吊過程中應(yīng)力、變形隨構(gòu)件與地面水平夾角的增大而減少的特性，可推斷：當(dāng)?shù)鯔C(jī)沿著主吊耳提升構(gòu)件一端離開地面的瞬間，另一端著地，此時(shí)，構(gòu)件面受彎、受剪最大，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)木彌_措施，例如：采用多點(diǎn)起吊或構(gòu)件下部加臨時(shí)襯墊、方木等墊高處理等輔助措施，同時(shí)在起吊過程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)護(hù)，特別是開始起吊瞬間和從傾斜至直立的瞬間，整個(gè)操作過程應(yīng)盡可能緩慢。

5 結(jié)論

綜上所述，在鋼板組合剪力墻施工過程中經(jīng)過了深化設(shè)計(jì)、施工分析和現(xiàn)場(chǎng)施工三個(gè)階段；在深化設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮單獨(dú)安裝鋼板墻時(shí)鋼板墻的剛度，施工分析應(yīng)全過程分析鋼板墻在安裝過程中的應(yīng)力與變形，現(xiàn)場(chǎng)施工階段應(yīng)根據(jù)施工分析結(jié)果綜合考慮施工中的風(fēng)險(xiǎn)并做出相應(yīng)的施工安全保障措施。