超高層塔冠及大跨度疊式鋼桁架施工關鍵技術研究

田 彬，秦天保，殷光發(fā)，夏 睿，王海捷

（1.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064；2.上海同濟工程咨詢有限公司，上海 200092）

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展以及城市化進程的演進，國內各大城市新建超高層的高度以300m左右最為普遍。超高層建筑設計不斷涌現(xiàn)，對標志性的超高層建筑提出了更多的造型及功能要求，造型獨特的塔冠結構無疑能對建筑形象的美觀起到顯著效果。能起到脫穎而出、獨秀于林的標志作用。

當前BIM 技術、智能化技術以及其他新技術的支持與應用下，塔冠結構設計也開始采用大跨度鋼桁架、懸挑桁架、鏤空結構等一體化設計，創(chuàng)造出各種各樣的超高層塔冠造型。隨著更多新技術的開發(fā)與應用，行業(yè)越來越超前的發(fā)展，新時代下的建筑頂部結構大多采用塔式造型，且大膽采用懸挑、懸掛、傾斜、鏤空等技術復雜的結構形式，與此同時，奇特的造型設計為塔冠結構的施工帶來了一系列前所未有的挑戰(zhàn)。

1 工程概況

新建商業(yè)服務業(yè)設施項目（襄陽大廈）位于武漢市武昌區(qū)中北路108 號，西北側緊鄰沙湖處理廠，北側為青魚咀球場小區(qū)，東北側為碳匯大廈施工工地（間隔一條通道），東南側為中北路。建筑高度263.20m，建筑面積147 875.95m2，其中地上面積108 748.89m2，地下面積39 127.06m2。本工程塔樓塔冠結構標高為L55 層底（227.4m）～樓頂（260.8m），標高范圍內為塔冠鋼結構層及屋頂桁架層，塔冠結構概況如表1 所示。施工部署如圖1 所示。

表1 塔冠鋼結構結構概況

圖1 塔冠總體效果圖

2 塔冠優(yōu)化設計

2.1 塔冠優(yōu)化設計及設計荷載

基于塔冠造型及結構安全要求，本項目設計大跨度桁架設計33.4m 高的鋼結構塔冠，外圍為9 根相對獨立外框鋼管砼柱，3 個弧形轉角的3根鋼管柱之間通過鋼梁相連，圓環(huán)區(qū)域的水平結構，其與外框獨立鋼管柱之間鏤空，鏤空區(qū)域與外立面鋼管柱的內外兩側共設計有3 道單元式板塊弧形幕墻。

為保證260m 高空大跨度結構安全及整體結構的穩(wěn)定性，以及為達到建筑造型而設計的3 層幕墻結構，充分考慮高空風荷載、擦窗機及其他設備的荷載下的結構安全及整體結構的結構穩(wěn)定性，塔冠頂部設計為高2m，跨度43m 大跨度鋼桁架，鋼桁架中部主體為3 榀三角交叉的單排桁架結構，最外圍為雙排疊式桁架結構，中間通過水平支撐相連，并穿插9 段桁架連成環(huán)形結構。所有桁架上下弦結構采用倒置式H 型鋼，腹桿為圓鋼管連接。設計荷載如下：①擦窗機荷載：額定載重量250kg；物料起升機構極限工作載荷850kg；臺車總重量13.5t；臺車最大單件重量4.5t；②機電太陽能板荷載：平板太陽能32kg/塊；太陽能基礎14kg/m；③風荷載標準值：0.67kN/m2（50 年一遇）。

2.2 設計方案分析

初步設計方案的外圍“疊式雙排桁架+弧型鋼梁混合結構”開始為“立體空間單排式桁架結構”，后期與擦窗機深化廠家溝通配合，考慮到插窗機軌道運行的平穩(wěn)性及軌道兩側主體鋼結構豎向差異變形，通過BIM 深化及設計對結構二次優(yōu)化，將外圍“立體空間單排式桁架結構”更改為“疊式雙排桁架+弧型鋼梁混合結構”，結構受力更加合理，型鋼截面減小，用鋼量得到優(yōu)化。設計結構布置三維軸側圖如圖2 所示。

圖2 設計結構優(yōu)化布置三維軸側圖

通過科學的結構受力分析，結合塔冠結構BIM 深化以及現(xiàn)場施工環(huán)境。為達到塔冠結構及整體結構安全，結構用鋼量經(jīng)濟合理，為幕墻及其他專業(yè)施工節(jié)省空間，造型美觀好看的綜合考慮與要求，最終確認了“疊式雙排桁架+弧型鋼梁混合結構”設計優(yōu)化方案，并應有到超高層大跨度塔冠施工中，達到非常好的效果。

3 垂直運輸設備附墻方案

3.1 塔機附墻具體方案

根據(jù)項目部提供的施工進度計劃和作業(yè)場地的實際情況，并結合塔機使用說明書和塔機群塔作業(yè)安全施工的有關要求，施工現(xiàn)場兩臺STT553塔機應按附著頂升計劃進行附著頂升施工作業(yè)，根據(jù)現(xiàn)場施工工況和塔機設備要求，最后一次需附著在獨立鋼柱上。

考慮獨立柱自身結構安全以及塔機設備附墻對塔冠以及桁架結構的整體影響。根據(jù)塔機廠家給出數(shù)據(jù)可知，塔機附墻件受力主要為附墻桿件軸力且最大荷載值不超過436kN，且角度會隨著塔機方向變化而變化。為保證鋼柱及塔冠結構安全，采取臨時拉結鋼梁到核心筒進行臨時結構加固，等塔機拆卸后再對臨時加固梁進行拆除。塔機附墻具體方案如圖3 所示。

圖3 塔機附墻方案圖

3.2 塔機附墻受力分析

取附墻荷載為500kN，垂直加固梁方向為最不利工況的情況下，經(jīng)過臨時加固梁前后的鋼管砼柱內力對比：從受力分析可以看出，最大內力減少52%。

對附墻節(jié)點的臨時加固方案確保塔機機械的正常施工前提下，極大程度上減小塔冠結構及頂部桁架結構的內力及變形，確保施工質量。

4 塔冠結構施工方案

為確保主塔樓施工工序正常有序，按如下步驟進行吊裝施工。

1）鋼結構塔冠施工前期，需在54 層外框鋼梁及樓板安裝完成的同時，完成核心筒土建結構施工以及胎架預埋件的施工，并拆除爬模完成后進行塔冠鋼結構的整體工況插入。

2）54 層外框結構施工完成，先吊裝55～56層外框矩形鋼柱，在57 層中間層進行臨時加固梁安裝并完成塔機附墻。

3）后續(xù)逐次安裝55～屋面層其他圓管柱及外框鋼梁等豎直、水平結構。待結構探傷完成后，進行鋼桁架胎架及桁架層的矩形外框鋼管柱安裝施工。

4）桁架施工順序采取“先內后外”的施工原則。先安裝三角形主桁架，再安裝外部雙排疊式桁架，最后安裝圓環(huán)及其他桁架、鋼梁結構。待整體結構穩(wěn)定后，最后對支撐胎架及臨時連接件拆除卸載施工。為確保施工合理性，保證結構變形可控，到達施工質量要求。

施工前，對各關鍵步驟的工況進行BIM 深化后，進行了相應的應力、應變分析。根據(jù)Midas軟件分析：得出安裝最大變形位移12.07mm，卸載之后變形位移17.03mm。結構變形可控，施工工序安排緊湊，節(jié)省工期，設計科學合理，結構質量能得到保證。

5 塔冠鋼結構施工質量控制

大型鋼結構由于構件數(shù)量多、連接復雜，在施工安裝過程中容易出現(xiàn)安裝偏差與大變形造成的附加應力問題、連接問題、材料局部缺陷問題、應力集中問題、冷脆問題、焊接殘余應力問題，這些問題都是鋼結構施T缺陷的表現(xiàn)形式，同時也是造成鋼結構發(fā)生事故的初始原因。

對于本項目塔冠鋼結構質量而言，其控制方向主要有兩點：一是安裝精度控制的測量及校正技術，二是焊接質量控制的焊接工藝。

5.1 施工精度監(jiān)測及校正技術控制質量

為保證安裝精度，在施工工程中，對主體鋼結構及大跨度鋼桁架施工結構安裝監(jiān)測。精度監(jiān)測主要是施工過程中各控制點的坐標及變形控制，鋼結構施工完成后，各主控點的坐標和變形要滿足設計要求。精度監(jiān)測的目的主要就是通過各監(jiān)測點的測量，得出各監(jiān)測點吊裝后實測坐標或位移，并與控制值進行對比校正，保證現(xiàn)場安裝質量。

5.2 焊接工藝控制質量

結合本工程特性，施工作業(yè)環(huán)境為227～260m高空作業(yè)，焊接作業(yè)采用CO2氣保焊，風力會造成CO2氣保焊的保護不足，導致焊縫氣孔的產生，所以要避免風的干擾。對于CO2氣保焊質量控制關鍵在于防風控制。面臨著焊接作業(yè)區(qū)風速當手工焊超過8m/s，CO2氣體保護焊超過2m/s 時，應設防風棚或采取其他防風措施。

在焊接作業(yè)區(qū)時，應控制風速，焊條電弧焊時不得超過8m/s，CO2氣體保護焊時不得超過2m/s，否則應采取防風措施。利用焊接操作平臺，將平臺做成基本封閉狀態(tài).就能有效防止大風對焊接的影響。在操作防護欄四周用阻燃材料封閉以防風，超過6 級大風停止高空作業(yè)。

武漢地區(qū)7 月空氣相對濕度較大，且200m高空風力較大，而濕度大于85%時，焊接易產生連續(xù)氣孔等缺陷。故在密封條件較好的部位如操作平臺處，采取局部除濕措施，以保證順利施焊。

6 結語

1）鋼桁架設計“疊式雙排桁架+弧型鋼梁混合結構”的結構受力更加合理，型鋼截面減小，用鋼量得到優(yōu)化。

2）超高層塔冠結構施工，極大的依賴塔機等起重設備，合理的塔機選型，有效的塔機施工方案是解決超高層塔冠結構施工的關鍵。

3）對于大跨度鋼桁架施工，需要先進性施工模擬進行施工預判，在合理的施工工況下，既滿足結構安全，又使現(xiàn)場施工簡潔、高效。

4）超高層塔冠施工質量控制主要取決于精度監(jiān)控、焊接作業(yè)。在焊接措施完備的前提下，需要不斷監(jiān)測結構變形校正，方能保證結構安裝精度。

通過本項目塔冠結構施工，本文提出了一種超高層塔冠施工技術，現(xiàn)場實施方案均取得了理想的效果，為往后廣大的300m 范圍內的超高層項目塔冠施工提供一定的借鑒與參考。