一種超高層特有超重SRC柱組合柱基分解施工技術(shù)

芮 揚(yáng)

上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050

1 工程概況

全混凝土結(jié)構(gòu)的超高層建筑很少超過(guò)200 m。天津于家堡金融區(qū)起步區(qū)華夏金融中心項(xiàng)目為1棟辦公樓及2棟附樓。結(jié)構(gòu)形式為：主樓筒中筒結(jié)構(gòu)，附樓框剪結(jié)構(gòu)；總建筑面積191 850 m2。該地塊主樓地下3層、地上54層，建筑高度約246 m，是一棟以辦公為主，附帶商業(yè)的超高層建筑。

主樓結(jié)構(gòu)形式為密肋柱筒中筒全混凝土結(jié)構(gòu)，外筒為密柱，單層柱數(shù)93根，柱距1.2 m，柱截面1.2 m×1.2 m，單層面積達(dá)到2 400 m2，核心筒面積約700 m2。外筒柱僅16層以下4個(gè)角柱采用了勁性結(jié)構(gòu)，外框柱與核心筒之間采用輻射梁連接。

2 SRC柱組合柱基設(shè)計(jì)

全混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的天津華夏金融中心主樓高達(dá)245.9 m，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還有一個(gè)最大的特點(diǎn)，即采用了外排密混凝土柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是所有的混凝土柱很少采用勁性結(jié)構(gòu)，僅在主樓四角設(shè)計(jì)有4根大截面的SRC鋼骨混凝土柱。4根鋼骨混凝土柱的鋼骨截面大，插入層數(shù)從基礎(chǔ)底板開(kāi)始直至結(jié)構(gòu)16層。

設(shè)計(jì)的SRC柱的技術(shù)參數(shù)和柱腳形式如下： 主樓鋼結(jié)構(gòu)有4根工字型組合鋼柱。柱腳采用Q345GJ鋼，為組合式型鋼構(gòu)件，構(gòu)件板厚40 mm。單個(gè)柱腳構(gòu)件帶附翼的總長(zhǎng)接近5.2 m，寬度為1.2 m，高度為3.4 m，單個(gè)構(gòu)件質(zhì)量達(dá)到14.16 t。

3 SRC柱組合柱基的施工條件及難點(diǎn)分析

3.1 超重SRC柱組合柱基施工條件

組合柱基埋件單體龐大，質(zhì)量超重，與此同時(shí)，項(xiàng)目的周邊場(chǎng)地條件卻非常有限，主樓柱腳的平面位置與基坑邊緣最近距離為26 m，最遠(yuǎn)距離為75 m，距離現(xiàn)場(chǎng)主樓配置的塔吊位置最近為12.1 m，最遠(yuǎn)為25.5 m。同時(shí)，組合柱腳施工期間，現(xiàn)場(chǎng)的主樓調(diào)整后的2部塔吊沒(méi)有安裝（圖1）。

圖1 組合鋼骨柱位置與周邊機(jī)械、道路關(guān)系

3.2 施工難點(diǎn)分析

1）組合柱基埋件設(shè)計(jì)單體構(gòu)件總質(zhì)量達(dá)到14.16 t，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吊車設(shè)置情況，以及場(chǎng)地條件，單構(gòu)件吊裝極其困難。

2）組合柱基埋件設(shè)計(jì)單體平面尺寸長(zhǎng)達(dá)5.2 m，高度達(dá)3.3 m，空間上占據(jù)的立面面積非常龐大，尤其是柱腳兩側(cè)的腹板，直接對(duì)基礎(chǔ)底板的鋼筋綁扎帶來(lái)很大影響。

3）SRC勁性鋼骨的柱腳采用插入式設(shè)計(jì)，設(shè)置于主樓基礎(chǔ)底板內(nèi)，底板厚度達(dá)到3.5 m，基礎(chǔ)底板中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了共8層鋼筋，鋼號(hào)均為三級(jí)鋼。上皮鋼筋直徑為32 cm，分3層；下皮鋼筋直徑為32 cm，分3層；中間鋼筋直徑為16 cm，分2層。主樓底板鋼筋邊緣伸入裙房基礎(chǔ)底板中，并且組合柱腳位置的立柱是鋼骨柱，柱腳外側(cè)還設(shè)計(jì)有混凝土結(jié)構(gòu)，鋼骨混凝土柱截面呈等腰梯形，最大的截面尺寸為：上底寬2.4 m、下底寬2.836 m、高1.6 m。鋼骨柱豎向鋼筋128根，數(shù)量非常多，且直徑大，不易彎折。

SRC柱腳的組合鋼構(gòu)件空間截面尺寸大，高度高，給處于柱腳位置的鋼筋綁扎和連接帶來(lái)非常大的困難，即使對(duì)組合柱基埋件進(jìn)行優(yōu)化處理后，仍然存在部分鋼筋無(wú)法避讓柱腳的鋼構(gòu)件，基礎(chǔ)底板鋼筋與柱腳節(jié)點(diǎn)的鋼筋穿插處理相當(dāng)復(fù)雜，基板鋼筋的定位、穿插、綁扎、連接的施工難度非常高[1-2]。

4 超重SRC柱組合柱基分解施工技術(shù)

4.1 超重SRC組合柱基截面轉(zhuǎn)換分解優(yōu)化技術(shù)

4.1.1 構(gòu)件超重的解決思路

1）組合柱基埋件不做調(diào)整，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的配置機(jī)械進(jìn)行調(diào)整，以滿足構(gòu)件吊裝要求。

優(yōu)點(diǎn)：不需要對(duì)組合柱基埋件自身的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，不影響既定的組合柱基埋件的加工周期。

缺點(diǎn)：受場(chǎng)地條件和構(gòu)件自重的影響，需要增設(shè)大型的吊裝機(jī)械，周邊道路也需要適當(dāng)?shù)募庸?，?jīng)濟(jì)代價(jià)相對(duì)比較大，吊裝的安全風(fēng)險(xiǎn)比較高。

2）不改變現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械配置，對(duì)組合柱基埋件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，在保證其力學(xué)性能的情況下，改變其構(gòu)造，并分解分節(jié)，降低組合柱基埋件的自身質(zhì)量以滿足現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)條件。

優(yōu)點(diǎn)：降低了構(gòu)件自身的質(zhì)量，適應(yīng)了現(xiàn)場(chǎng)的吊裝條件，不需要另行配置大型吊裝機(jī)械，降低了吊裝作業(yè)自身的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

缺點(diǎn)：組合柱基埋件的設(shè)計(jì)調(diào)整需征求設(shè)計(jì)方意見(jiàn)，對(duì)既定的加工周期產(chǎn)生了一定的影響，分解分節(jié)后，增加了相應(yīng)的接縫處理，質(zhì)量控制要求增加。

4.1.2 組合柱基埋件空間占用過(guò)大的解決方法

1）組合柱基埋件自身不作調(diào)整，變動(dòng)基礎(chǔ)底板的設(shè)計(jì)，對(duì)基礎(chǔ)底板鋼筋的設(shè)計(jì)、排布和接頭進(jìn)行調(diào)整，比如對(duì)基礎(chǔ)底板鋼筋的直徑、間距和排數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)等強(qiáng)度代換將大直徑單排鋼筋轉(zhuǎn)換成小直徑多排鋼筋，以穿插入組合柱基埋件的空隙。

優(yōu)點(diǎn)：不影響組合柱基埋件自身的設(shè)計(jì)和加工周期，不需要征求設(shè)計(jì)方的意見(jiàn)。

缺點(diǎn)：基礎(chǔ)底板的鋼筋變化比較大，等強(qiáng)度或者等截面代換，鋼筋的排數(shù)增加，接頭數(shù)量增加，基礎(chǔ)底板鋼筋的土建施工質(zhì)量控制要求增高，接頭處理成本增加，工序施工煩瑣。尤其柱腳鋼構(gòu)件的長(zhǎng)達(dá)5.2 m的附翼，施工處理相當(dāng)困難。

2）基礎(chǔ)底板鋼筋的設(shè)計(jì)、排布不做調(diào)整，對(duì)組合柱基埋件柱腳進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低其空間截面積，減小對(duì)基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)施工的影響。

優(yōu)點(diǎn)：降低了組合柱基埋件的占用空間，不需要對(duì)基礎(chǔ)底板鋼筋進(jìn)行比較大的調(diào)整，有利于底板鋼筋的排布和穿插，節(jié)約工程的成本。

缺點(diǎn)：組合柱基埋件的優(yōu)化需要采用構(gòu)件分解的技術(shù)，為了降低構(gòu)件的空間的占用，必須通過(guò)轉(zhuǎn)換將構(gòu)件變小。同時(shí)為了確保設(shè)計(jì)的抗拔力學(xué)要求，構(gòu)件的接縫必然增加，給構(gòu)件自身的加工質(zhì)量控制帶來(lái)了一定的難度。

通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，結(jié)合進(jìn)度和成本要求，綜合比選上述解決辦法，最終采用截面和構(gòu)件轉(zhuǎn)換的方式對(duì)組合柱基埋件進(jìn)行分解，使用多個(gè)小截面的型鋼構(gòu)件代替原先設(shè)計(jì)的大截面整板構(gòu)件，并對(duì)柱腳構(gòu)件進(jìn)行分節(jié)分解處理，降低組合柱腳構(gòu)件的長(zhǎng)度、寬度和高度以及自重，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械和工藝要求。

4.1.3 現(xiàn)場(chǎng)吊裝機(jī)械的綜合能力分析

地下室基礎(chǔ)底板施工期間，施工現(xiàn)場(chǎng)主要布置了3臺(tái)塔吊，其中3號(hào)塔吊位于地塊西北角的裙樓位置，其臂長(zhǎng)不足以覆蓋主樓基礎(chǔ)底板區(qū)域。而主樓的2部塔吊，因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)置于大底板中，在組合柱基埋件施工時(shí)還未安裝。

組合柱基埋件均距離基坑邊緣較遠(yuǎn)，只有北側(cè)2個(gè)組合構(gòu)件距離北側(cè)基坑相對(duì)比較近。組合柱基埋件原設(shè)計(jì)單個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量約14.16 t，僅有北側(cè)2個(gè)組合柱基埋件可以利用基坑邊緣的吊車進(jìn)行安裝，但是即使如此，需要采用的吊車噸位也非常大，非常不經(jīng)濟(jì)。因此，組合柱基埋件若想采用塔吊配合吊裝，最大單個(gè)柱腳構(gòu)件的質(zhì)量必須適當(dāng)降低。

4.1.4 組合柱基埋件的受力分析

根據(jù)主樓的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，整個(gè)主樓僅4個(gè)角柱采用勁性結(jié)構(gòu)，建筑高度245 m主樓的混凝土結(jié)構(gòu)采用的是大截面密肋柱結(jié)構(gòu)，其主要承重受力還是靠外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)。對(duì)于四角的鋼骨柱，經(jīng)過(guò)分析，其主要作用在于主樓防震時(shí)的抗拔受力。

組合柱基埋件的原設(shè)計(jì)采用類似于“錨”式結(jié)構(gòu)，整個(gè)組合柱基埋件像一只埋入基礎(chǔ)底板的地錨，因此設(shè)計(jì)的組合柱腳為中部構(gòu)件加兩側(cè)錨翼的結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)件兩側(cè)設(shè)計(jì)有2排2 m長(zhǎng)的工字鋼腹板，好比船舶的錨頭（圖2）。

圖2 原設(shè)計(jì)組合柱基埋件“錨”形結(jié)構(gòu)BIM

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)的施工要求，降低組合柱基埋件的空間截面占用，根據(jù)組合柱基埋件的主要受力特點(diǎn)——地震時(shí)的抗拔受力，設(shè)想了一種類似于“樹根”式樣的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)減小組合構(gòu)件的中部構(gòu)件空間面積，改成一個(gè)薄墩形構(gòu)件，并在中部構(gòu)件的下方增設(shè)數(shù)根由H型鋼組成的支座體系，形成類似樹的根須結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加支座的截面來(lái)滿足抗拔的結(jié)構(gòu)受力要求。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)算，設(shè)想的方案能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的受力要求，最終確定了組合柱基埋件優(yōu)化后的設(shè)計(jì)形式（圖3，圖中紅色部分為鋼柱節(jié)段）。

圖3 優(yōu)化后的組合柱基埋件三維BIM

優(yōu)化后的組合柱基埋件既滿足了設(shè)計(jì)的抗拔要求，又大幅度降低了柱腳構(gòu)件的空間占用，為基礎(chǔ)底板鋼筋的施工創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)還適當(dāng)?shù)亟档土酥_埋件的自重和組合柱基埋件自身的吊裝難度。

4.2 超重SRC組合柱基的分解施工

4.2.1 分解施工技術(shù)方案

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的組合柱基埋件，經(jīng)過(guò)計(jì)算，單個(gè)構(gòu)件質(zhì)量約為7.19 t，若不含上部柱腳末節(jié)，則總質(zhì)量為3.22 t，構(gòu)件質(zhì)量大幅度降低。

為了確保工程的整體施工進(jìn)度要求，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本要求，對(duì)組合柱基埋件的施工進(jìn)行了分解：

1）采用分解拼裝的方式，將整個(gè)組合柱基埋件分成三大組成部分進(jìn)行散拼安裝。

2）為了縮短組合柱基埋件安裝施工所需要占用的時(shí)間，降低整體質(zhì)量以配合吊裝，將鋼柱的柱腳末節(jié)采用后置施工的方式，與柱腳埋件分開(kāi)安裝。為此，在組合柱基埋件位置的底板施工時(shí)設(shè)置后澆杯口，以滿足鋼柱末節(jié)的后置施工要求，便于鋼柱末節(jié)在塔吊安裝完畢后，進(jìn)行整體吊裝施工。

4.2.2 組合柱基埋件的安裝流程

基礎(chǔ)底板底皮鋼筋綁扎→焊接定位槽鋼→支設(shè)型鋼小立柱（三維圖中的藍(lán)色立柱）→拼裝柱腳中部構(gòu)件（三維圖中的黃色部分）→綁扎基礎(chǔ)底板鋼筋（杯口部位預(yù)留）→澆筑基礎(chǔ)底板混凝土→吊裝鋼柱末節(jié)（三維圖中的紅色部分）→綁扎杯口部位鋼筋→澆筑杯口混凝土，完成組合柱基埋件的施工（圖4）

圖4 組合柱腳中部構(gòu)件施工

4.2.3 組合柱基埋件的后置杯口留設(shè)

后置杯口的設(shè)置目的主要是降低構(gòu)件整體吊裝的自重，減小組合柱基埋件施工的絕對(duì)工期，方便柱腳末節(jié)可以利用塔吊進(jìn)行安裝。

后置杯口設(shè)置的另一個(gè)目的是延后施工復(fù)雜的基礎(chǔ)底板上皮鋼筋與柱腳節(jié)點(diǎn)的施工，加快大面積基礎(chǔ)底板形成的速度，盡早滿足基坑整體換撐的技術(shù)要求。通俗地說(shuō)就是將占用工期時(shí)間比較長(zhǎng)，處于基礎(chǔ)底板施工關(guān)鍵線路上的柱腳附近的上皮鋼筋施工，從關(guān)鍵線路上分離出去。

經(jīng)過(guò)與設(shè)計(jì)單位協(xié)商，確定采用預(yù)留杯口的方案進(jìn)行施工，先澆筑大底板，待底板澆筑完成后，在主樓的南北兩側(cè)新裝2臺(tái)塔吊，利用新裝的2臺(tái)塔吊進(jìn)行角柱柱腳的吊運(yùn)和安裝入杯口，連接預(yù)留杯口部位鋼筋，澆筑杯口混凝土。

1）主樓大底板預(yù)留杯口尺寸的確定。根據(jù)勁性角柱骨架的尺寸，考慮兩側(cè)的勁性柱安裝操作面（500 mm），并同時(shí)考慮底板上下皮鋼筋的預(yù)留搭接長(zhǎng)度，采用一側(cè)機(jī)械連接（采用Ⅰ級(jí)直螺紋連接技術(shù)，預(yù)留鋼筋長(zhǎng)度為1 000 mm）、一側(cè)電焊搭接方式（采用單面焊，鋼筋預(yù)留長(zhǎng)度1 330 mm），確定主樓大底板預(yù)留的杯口尺寸至少應(yīng)保證7 m×7 m，杯口深度取800 mm（圖5）。

圖5 杯口預(yù)留平面尺寸

2）預(yù)留杯口的施工縫處理方法。在底板預(yù)留杯口施工縫的中部設(shè)置3 mm×400 mm的止水鋼板，在施工縫的底部鋪貼500 mm×10 mm的外貼式橡膠止水帶。

由于杯口高度即底板的厚度達(dá)到3.5 m，杯口側(cè)壁考慮采用φ25 mm、φ20 mm鋼筋焊接鋼筋網(wǎng)（豎向、橫向）骨架（@400 mm縱橫向設(shè)置），并安裝鋼筋網(wǎng)模進(jìn)行施工。鋼筋網(wǎng)模焊接成鋼筋網(wǎng)骨架用于固定鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)采用φ0.5 m鋼絲網(wǎng)片，網(wǎng)孔大小10 mm×25 mm，采用雙層鋼絲網(wǎng)。

鋼筋骨架與底板結(jié)構(gòu)鋼筋及底板中部的止水鋼板焊接固定，鋼絲網(wǎng)與鋼筋骨架采用鐵絲綁扎固定（圖6）。

圖6 杯口留設(shè)施工縫處理

4.3 組合柱基與底板鋼筋的節(jié)點(diǎn)分解技術(shù)

4.3.1 節(jié)點(diǎn)的處理方案

首先，對(duì)組合柱基埋件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)充分考慮盡量降低柱腳構(gòu)件的空間占用，為基礎(chǔ)的底板鋼筋讓出穿插空間。

其次，基礎(chǔ)底板鋼筋按照設(shè)計(jì)要求共分雙向8層，為3＋1＋1＋3的分布。除底皮3層雙層雙向鋼筋不受組合柱基埋件影響之外，其余5層雙向鋼筋均受到組合柱基埋件的截面影響。為此，對(duì)組合柱基埋件附近的基礎(chǔ)底板鋼筋采用三維建模技術(shù)進(jìn)行BIM模擬，以確定基礎(chǔ)底板鋼筋和組合柱基埋件之間的相互影響關(guān)系（圖7）。

圖7 原組合柱基埋件位置鋼筋分布BIM模擬

通過(guò)模擬可見(jiàn)，從中間2層開(kāi)始至底板面筋均受到了組合柱基埋件的影響。其中，中下層鋼筋穿越構(gòu)件的型鋼立柱區(qū)域，中上層鋼筋的位置則接近于組合柱基埋件的上層。

研究分析后，按照基礎(chǔ)底板鋼筋的分布位置及BIM模擬的結(jié)果，對(duì)鋼筋和柱腳節(jié)點(diǎn)分3種方式進(jìn)行處理：

1）對(duì)中下層鋼筋，穿越的是柱腳構(gòu)件的立柱區(qū)域，由于型鋼立柱的截面比較小，采取調(diào)整底板鋼筋平面分布的方法，適當(dāng)調(diào)整BIM圖中與立柱有沖突的鋼筋平面分布，以避開(kāi)立柱，對(duì)實(shí)在無(wú)法避開(kāi)的，則在立柱的空隙位置增加加強(qiáng)鋼筋。

2）中上層鋼筋與組合柱基埋件的中部構(gòu)件沖突，由于其剖面位置比較接近組合柱基埋件的中部構(gòu)件上表面，與設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)后，將中上層鋼筋的位置適當(dāng)上抬，從中部構(gòu)件面部穿過(guò)，避開(kāi)中部構(gòu)件。

3）對(duì)于基礎(chǔ)底板的3層面筋，由于其直接與鋼骨柱的末節(jié)沖突，鋼骨柱截面大，無(wú)法穿過(guò)，故采用在柱腳構(gòu)件上增設(shè)連接鋼板，通過(guò)焊接的方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)處理（圖8）。針對(duì)整個(gè)組合柱基埋件的安裝施工流程進(jìn)行BIM模擬，以確定施工的可行性，并幫助鋼筋定位。

圖8 調(diào)整后組合柱基埋件位置鋼筋分布BIM模擬

4.3.2 連接板的處理設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)整后組合柱基埋件位置鋼筋分布BIM模擬圖，組合柱基埋件與底板鋼筋的連接節(jié)點(diǎn)，需要增設(shè)4層連接鋼板，分別對(duì)應(yīng)中上層鋼筋和面筋。

對(duì)連接鋼板不采用工程預(yù)裝的方法，而采用現(xiàn)場(chǎng)焊接方式，采用一級(jí)焊縫，以保證連接鋼板的位置能夠有一定的機(jī)動(dòng)性，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際鋼筋位置進(jìn)行調(diào)整。

組合柱基埋件與基礎(chǔ)底板連接節(jié)點(diǎn)還設(shè)計(jì)有外包混凝土柱的插筋。對(duì)于插筋的處理，擬采用BIM定位組合構(gòu)件鋼板穿孔的方法，以滿足立柱插筋的施工。

5 結(jié)語(yǔ)

天津華夏金融中心項(xiàng)目是一個(gè)比較特殊的全混凝土結(jié)構(gòu)超高層建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)最小化所需要的勁性結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)特殊的SRC組合柱及其柱基，對(duì)作業(yè)條件提出非常高的要求。

通過(guò)研究分析，對(duì)這種特殊作業(yè)環(huán)境下超重SRC組合柱腳結(jié)構(gòu)，采用分解優(yōu)化施工的技術(shù)思路，很好地解決了柱腳的安裝施工問(wèn)題，并通過(guò)BIM模擬分解，精準(zhǔn)解決鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋在狹窄底板厚度范圍內(nèi)的穿插碰撞問(wèn)題，為今后特殊勁性結(jié)構(gòu)施工提供了借鑒思路。