大跨度鋼框組合結(jié)構(gòu)分形協(xié)同建造關(guān)鍵技術(shù)*

江 筠,方真剛,羅先林,李 遙,高 塽

(武漢建工集團(tuán)股份有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和城鎮(zhèn)化率的不斷提高,我國(guó)城市建設(shè)突飛猛進(jìn),辦公、展示、科研及文教公共建筑等大型工程日益增多,同時(shí)建筑設(shè)計(jì)水平也飛速發(fā)展,因此公共建筑呈現(xiàn)出形態(tài)復(fù)雜、跨度大、懸挑大、多重結(jié)構(gòu)混合的特征。目前大跨度鋼框架混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)體系的建筑在國(guó)內(nèi)已較為常見(jiàn),該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)較大跨度的建筑形式和更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,且這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相較于單純的鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)在承重和抗扭上有較突出的優(yōu)勢(shì)[1-2]。然而這種大跨度鋼框組合結(jié)構(gòu)呈扁平狀造型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鋼結(jié)構(gòu)安裝精度要求高,空間定位難,同時(shí)合同條款與場(chǎng)區(qū)內(nèi)外環(huán)境約束大,對(duì)施工技術(shù)要求高,施工難度非常大。因此,針對(duì)這種大跨度鋼框組合結(jié)構(gòu),采用何種施工技術(shù)和項(xiàng)目管理方式成為當(dāng)下亟待解決的課題之一。

針對(duì)上述難題,通過(guò)深入研究信息綜合樓的設(shè)計(jì)概念,發(fā)現(xiàn)其建筑形態(tài)和結(jié)構(gòu)形式與分形理論的門(mén)格海綿模型極為相似[3-4],因此創(chuàng)新性地提出和探討,將分形理論應(yīng)用于大跨度鋼框組合結(jié)構(gòu)的施工組織及建造方式。將信息綜合樓的鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和外皮幕墻從材料和分部分項(xiàng)工程類別的角度拆解成若干契合分形的自相似幾何塊,分部進(jìn)行安裝,各分部塊體間具有高度相似性,因此現(xiàn)場(chǎng)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的施工安裝工藝,有效提高了施工效率,減小了施工誤差,降低了施工成本,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

1 工程概況

國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全人才培訓(xùn)中心工程項(xiàng)目的信息綜合樓結(jié)構(gòu)形式為大跨度鋼框架-剪力墻組合結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1),內(nèi)部以4個(gè)12.5m×12.5m的核心筒和16根1.5m×1.5m的勁性鋼骨柱為主要豎向結(jié)構(gòu),支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)和1萬(wàn)多t鋼結(jié)構(gòu);建筑外立面和屋面分別采用風(fēng)鈴幕墻柔性鋼片與太陽(yáng)能遮陽(yáng)板。地下1層,地上5層,建筑高度23.90m,建筑長(zhǎng)、寬均為112.5m,總建筑面積,地上36 667.08m2,地下 12 656.25m2, 屬多層民用建筑,集會(huì)議、實(shí)驗(yàn)、辦公、展示等功能于一體。信息綜合樓地上結(jié)構(gòu)為大跨懸挑體系,具有體量大、建筑形態(tài)復(fù)雜、扁平等特點(diǎn),這種設(shè)計(jì)與分形理論的門(mén)格海綿模型相吻合。

圖1 信息綜合樓架構(gòu)

2 施工難點(diǎn)

2.1 信息綜合樓建筑形態(tài)特殊

信息綜合樓基于分形的設(shè)計(jì)理念,在平面上與分形理論的謝爾賓斯基地毯相契合,利用對(duì)稱及嵌套的手法將整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間布局,使其在空間上又呈現(xiàn)門(mén)格海綿的立體視覺(jué)效果(見(jiàn)圖2)[5]。信息綜合樓的主體結(jié)構(gòu)采用了分形的承重布局方式,其中在平面上,由幕墻龍骨構(gòu)成外輪廓為一個(gè)較大尺寸的正方形,中庭及四角核心筒均為外輪廓縮小至不同比例的相似正方形;豎向上,核心筒為剪力墻和鋼骨柱共同組成的內(nèi)外筒形式,支撐起1萬(wàn)多t鋼結(jié)構(gòu);在立面上,建筑外立面幕墻柔性鋼片與自身形成了不同比例的相似正方形。整個(gè)建筑物形態(tài)復(fù)雜,但各組成部分具有明顯的比例特點(diǎn)。在分形維數(shù)上也與門(mén)格海綿的維數(shù)相近,其分形的豪斯多夫維近似為2.726 8。

圖2 信息綜合樓模型

(1)

式中:D為自相似維數(shù);N為縮小后所形成的相似圖形數(shù)量;r為分形圖形的縮小倍數(shù)。

2.2 周邊環(huán)境對(duì)信息綜合樓施工的影響

2.2.1場(chǎng)外已完工程對(duì)信息綜合樓的影響

信息綜合樓西側(cè)為已完工的培訓(xùn)中心一期工程,最小凈距40.3m,基坑深7.3～8.7m。地下室基坑開(kāi)挖為二階放坡掛網(wǎng)噴混凝土和錨噴的支護(hù)方式,其中一階坡比為1∶0.7,放坡寬度為2.1m,中間臺(tái)階寬度為2m;二階坡比為1∶0.3,放坡寬度為1.3m?？紤]到施工過(guò)程中邊坡穩(wěn)定及對(duì)培訓(xùn)中心一期建筑物的影響,坡頂距培訓(xùn)中心一期結(jié)構(gòu)邊間距為28.9m,并預(yù)留8m寬的臨時(shí)施工道路為信息綜合樓大型吊裝機(jī)械作業(yè)提供支持(見(jiàn)表1與圖3)。

表1 信息綜合樓主要履帶式起重機(jī)設(shè)備

圖3 信息綜合樓與培訓(xùn)一期交界處示意(單位:m)

2.2.2場(chǎng)內(nèi)在建建筑物對(duì)信息綜合樓的影響

場(chǎng)內(nèi)在建建筑物對(duì)信息綜合樓影響較大,其中在地下部分,信息綜合樓與教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓B棟、東側(cè)在建的網(wǎng)絡(luò)學(xué)院相接,與西側(cè)培訓(xùn)中心一期通過(guò)管廊相接;在地上部分,信息綜合樓通過(guò)連廊與東側(cè)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)院和西側(cè)的培訓(xùn)中心一期相接,兩側(cè)凈距約40m。在平面上,學(xué)生宿舍樓B棟、C棟距信息綜合樓凈距162m,其周邊空地為信息綜合樓的鋼結(jié)構(gòu)施工提供一定的資源供給堆場(chǎng)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓B棟及地下室施工對(duì)信息綜合樓形成了資源爭(zhēng)奪,教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓B棟臨近信息綜合樓凈距為38m,地下室面積為55 843m2。在施工過(guò)程中,塔式起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)半徑、臨時(shí)施工道路的使用二者都形成了一定的交叉重疊,對(duì)信息綜合樓施工有較大影響(見(jiàn)圖4)。

圖4 場(chǎng)內(nèi)在建建筑物及臨時(shí)道路

2.3 PPP項(xiàng)目合同條款對(duì)信息綜合樓的影響

2.3.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量要求

本工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量高,信息綜合樓核心筒剪力墻與勁性鋼骨混凝土柱均為清水混凝土結(jié)構(gòu),外立面為風(fēng)鈴幕墻,屋面為太陽(yáng)能遮陽(yáng)板,連梁為鋼桁架結(jié)構(gòu),公區(qū)地面為裝飾混凝土云地面。清水混凝土與1.2萬(wàn)多t鋼結(jié)構(gòu)交叉施工,造成施工過(guò)程中從模板鋼筋材料、加固體系選擇、加工、搭設(shè)、拆除到混凝土原材料控制、混凝土運(yùn)輸、澆筑振搗、養(yǎng)護(hù)和成品保護(hù)比常規(guī)更加復(fù)雜,控制難度大。

2.3.2合同工期與成本壓力

合同工期僅350d,且本工程施工高峰期為夏季,考慮到武漢地區(qū)夏季高溫多雨,有效施工時(shí)間和施工效率影響大。在項(xiàng)目實(shí)施建造過(guò)程中必須充分利用各交叉作業(yè)時(shí)間,保證各工序銜接,控制關(guān)鍵線路工期時(shí)間,在施工過(guò)程中若各階段施工未能嚴(yán)格按計(jì)劃進(jìn)行,施工進(jìn)度必將大大嚴(yán)重滯后,工期壓力大。由于本工程簽訂合同無(wú)備料款,項(xiàng)目前期鋼結(jié)構(gòu)部分原材料資金墊付壓力大,鋼結(jié)構(gòu)工程必須安裝后才能進(jìn)行產(chǎn)值審定付款,通過(guò)科學(xué)有效的施工部署,盡可能提高施工效率可減少項(xiàng)目的資金周轉(zhuǎn)壓力。

3 大跨度鋼框組合結(jié)構(gòu)分形建造技術(shù)方案

3.1 主體結(jié)構(gòu)分形協(xié)同建造技術(shù)路徑

鑒于建筑形態(tài)特殊、場(chǎng)內(nèi)外環(huán)境和PPP項(xiàng)目合同條款等因素對(duì)信息綜合樓的影響,通過(guò)深入研究后,將分形理論創(chuàng)新性地融合到施工過(guò)程中,同時(shí)也帶來(lái)混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和幕墻結(jié)構(gòu)的分形節(jié)點(diǎn)如何連接難題,由此必須要對(duì)分形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。一方面,以分形理論為核心,將鋼結(jié)構(gòu)、混凝土和幕墻進(jìn)行有序分形,對(duì)三者交接關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān);另一方面,以協(xié)同管理為核心,利用信息熵對(duì)2種施工方案進(jìn)行成本、進(jìn)度對(duì)比,并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬,預(yù)先采取有效措施保證施工過(guò)程安全性(見(jiàn)圖5)。

圖5 主體結(jié)構(gòu)建造技術(shù)路徑

3.2 主體結(jié)構(gòu)分形

基于信息綜合樓運(yùn)用分形設(shè)計(jì)的特點(diǎn),其結(jié)構(gòu)體系也具有分形特征?，F(xiàn)將鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)及幕墻依據(jù)空間位置的不同,共劃分為5個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的流水段,并按分形理論分形為不同尺寸的自相似塊,對(duì)各塊體進(jìn)行編號(hào),統(tǒng)計(jì)數(shù)量,通過(guò)將整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分形,最終進(jìn)行不同施工方式的模擬推算,優(yōu)選最佳施工方案(見(jiàn)圖6)[6]。

圖6 分形及層級(jí)迭代(單位:m)

通過(guò)對(duì)5個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定流水段進(jìn)行不同尺度層級(jí)的劃分,共形成7種類型的自相似塊(見(jiàn)表2)。整體分形上是基于謝爾賓斯基地毯模型,其豪斯多夫維數(shù)為1.892 8[7]。通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的有序拆分與統(tǒng)計(jì),其主體結(jié)構(gòu)通過(guò)分形后主要表現(xiàn)為⑤～⑦號(hào)塊的拼裝過(guò)程,并考慮項(xiàng)目周邊環(huán)境、工期成本影響,針對(duì)信息綜合樓主體結(jié)構(gòu)形成了2種施工方案。整體吊裝方案為:⑤,⑦號(hào)塊鋼結(jié)構(gòu)與⑤～⑦號(hào)塊混凝土同步逐層施工,最后施工外幕墻④,⑥號(hào)塊主龍骨。分形建造方案為:先施工鋼結(jié)構(gòu)⑤,⑦號(hào)塊并形成獨(dú)立自穩(wěn)體系后,再施工混凝土結(jié)構(gòu)⑤,⑥,⑦號(hào)塊,并在混凝土施工期間穿插施工外幕墻④,⑥號(hào)塊主龍骨。

表2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定流水段分形自相似塊統(tǒng)計(jì)

3.3 基于信息熵理論的施工方案比選

3.3.1工期對(duì)比

對(duì)于鋼框組合結(jié)構(gòu)的建筑,常采用鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)逐層同步施工的傳統(tǒng)方式進(jìn)行,在項(xiàng)目實(shí)施前,通過(guò)對(duì)項(xiàng)目資源的分析,對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行了工期推演,在場(chǎng)地空間、資源及時(shí)間有限的情況下,整體吊裝方案會(huì)導(dǎo)致不同專業(yè)的工種相互打攪,不利于施工組織和操作作業(yè),且安全風(fēng)險(xiǎn)高;多種材料、機(jī)械聚集,而場(chǎng)地堆場(chǎng)有限,協(xié)調(diào)難度大,總工期約512d,考慮到合同工期,采用傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土逐層施工的方案無(wú)法滿足要求,因此,需進(jìn)一步對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整(見(jiàn)圖7)。

圖7 整體吊裝施工方案工期演算

為保證信息綜合樓按時(shí)交付,必須對(duì)工序進(jìn)行重新調(diào)整,結(jié)合信息綜合樓自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、周邊環(huán)境和工期約束,擬采用鋼結(jié)構(gòu)先獨(dú)立施工并形成自穩(wěn)框架體系,再施工混凝土結(jié)構(gòu)的分形施工方案,人工、材料、機(jī)械等主要資源投入相對(duì)均衡,利于各專業(yè)人員獨(dú)立持續(xù)作業(yè),且各分形單元可模塊化吊裝,此施工方案推演總工期約為320d(見(jiàn)圖8)。

圖8 分形建造方案工期演算

3.3.2成本對(duì)比

采用整體吊裝方案需預(yù)先對(duì)起重機(jī)行走路線及作業(yè)位置的地下室頂板進(jìn)行加固回頂(見(jiàn)圖9),整體加固面積5 763m2。鋼筋混凝土梁主筋數(shù)量需增加20%,板筋由C14改為C18,鋼筋平均用量增加35%,經(jīng)測(cè)算整個(gè)加固面積鋼筋用量增加203t,費(fèi)用81.2萬(wàn)元。在整個(gè)起重機(jī)行走路線上,地下室頂板的腳手架需一直回頂支撐,直到整個(gè)主體結(jié)構(gòu)施工完成方可拆卸,預(yù)計(jì)增加腳手架周轉(zhuǎn)周期為11個(gè)月,周轉(zhuǎn)費(fèi)用為141.9萬(wàn)元,合計(jì)總費(fèi)用增加223萬(wàn)元(見(jiàn)表3)。

表3 2種方案對(duì)比結(jié)果

圖9 整體吊裝方案頂板加固區(qū)域

熵最初是熱力學(xué)中衡量體系混亂程度的物質(zhì)狀態(tài)參量。在系統(tǒng)科學(xué)中,熵作為測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行有序性的工具,由系統(tǒng)內(nèi)部條件與外部環(huán)境共同作用。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部要素間協(xié)同程度較差導(dǎo)致無(wú)序性增強(qiáng)時(shí),信息熵值增加。熵值越小說(shuō)明系統(tǒng)整體運(yùn)行效率最高,最穩(wěn)定[8]。按式(2)計(jì)算出整體吊裝方案的信息熵為2.237×10-4,分形建造方案的信息熵為-4.052×10-4,分形協(xié)同方案信息熵明顯小于整體吊裝施工方案,表明分形建造方案整體施工效率高,可滿足合同工期要求,分形建造方案優(yōu)于整體吊裝方案。

(2)

式中:Ms為信息熵值。

4 大跨度鋼框組合結(jié)構(gòu)分形建造關(guān)鍵技術(shù)

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及施工方案可行性計(jì)算

4.1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

分形協(xié)同方案充分利用了分形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的演化過(guò)程,將整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序分形,自相似的結(jié)構(gòu)塊間可采用模塊化施工方式,有效減少了現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。為配合鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立施工,需優(yōu)化原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)⑤,⑥號(hào)塊間的核心筒部分結(jié)構(gòu)做優(yōu)化,以契合分形建造方式。將原設(shè)計(jì)⑤,⑥號(hào)塊間的小梁取消,采用增加樓板厚度方式增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,并對(duì)調(diào)整后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算,確保結(jié)構(gòu)安全(見(jiàn)圖10)。

圖10 調(diào)整前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

為滿足抗震設(shè)計(jì)要求,對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層樓板在大震下進(jìn)行剪應(yīng)力分析,由大震時(shí)標(biāo)準(zhǔn)層樓板x方向應(yīng)力分析結(jié)果(對(duì)稱性高,y方向不變)可知,樓板在大震作用下應(yīng)力分布較均勻,在4個(gè)核心筒周圍存在應(yīng)力集中(見(jiàn)圖11)。大震作用下,樓板剪應(yīng)力多數(shù)≤1.0MPa,在核心筒角部剪應(yīng)力較大,局部達(dá)到4.4MPa

圖11 標(biāo)準(zhǔn)層樓板應(yīng)力分析

為滿足重力荷載作用下樓層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,現(xiàn)對(duì)重力荷載作用下核心筒樓板應(yīng)力進(jìn)行分析,如圖12所示,在重力荷載作用下,由于核心筒與周圍框架梁縱向變形差及懸挑桁架下?lián)?導(dǎo)致核心筒邊緣及懸挑桁架邊緣樓板拉應(yīng)力較大。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的核心筒樓板加厚到200mm,并采用φ16@200mm雙層雙向配筋,且鋼骨柱加粗至1 500mm×1 500mm,可滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,表明優(yōu)化后的⑤,⑥號(hào)塊具備獨(dú)立施工的穩(wěn)定性要求。

圖12 核心筒及樓板應(yīng)力分布

4.1.2分形建造方案可行性計(jì)算

建造過(guò)程中仿真應(yīng)力計(jì)算如圖13所示。

圖13 施工過(guò)程仿真分析

根據(jù)施工過(guò)程模擬結(jié)果,桿件應(yīng)力比均處于較低水平,建造成型后桿件最大應(yīng)力比0.46,結(jié)構(gòu)安全性滿足要求。在鋼結(jié)構(gòu)施工完成形成自穩(wěn)體系后,混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生荷載變化,在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力,使部分構(gòu)件應(yīng)力比原設(shè)計(jì)狀態(tài)下大,會(huì)降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全余量,因此,在混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中必須保證整個(gè)荷載對(duì)稱線性施加。

分形建造方案雖整體上可行,但在施工過(guò)程中須嚴(yán)控混凝土澆筑過(guò)程安全,須預(yù)先設(shè)置臨時(shí)支撐,結(jié)構(gòu)角部懸挑梁GL9a-1～4采用φ299×10圓管作臨時(shí)支撐,臨時(shí)支撐位于4.800m標(biāo)高柱頂,分別于9.600,19.200m標(biāo)高樓層設(shè)置臨時(shí)聯(lián)系桿,以保證鋼結(jié)構(gòu)⑤,⑦號(hào)塊的應(yīng)力均勻線性增加,確保結(jié)構(gòu)安全。鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐也為幕墻④號(hào)塊施工提供支撐,保證在整個(gè)主體結(jié)構(gòu)施工完成前其可獨(dú)立施工并保證穩(wěn)定性(見(jiàn)圖14)。

圖14 節(jié)點(diǎn)C-臨時(shí)支撐三維示意

4.2 建筑結(jié)構(gòu)新體系分形建造關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)技術(shù)

4.2.1分形建造關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)豎向連接技術(shù)

4.2.1.1鋼骨混凝土核心筒嵌合式基礎(chǔ)一體化成型技術(shù)

鋼骨混凝土核心筒結(jié)構(gòu)嵌合式基礎(chǔ)一體化成型技術(shù)能有效增大核心筒的豎向承載力,提高結(jié)構(gòu)體系的安全性和可靠性,加大抗拔力、減小位移,使結(jié)構(gòu)整體剛度加大,具有更大穩(wěn)定性和更高效能[7]。土方開(kāi)挖成型后,澆筑墊層并鋪貼防水卷材,現(xiàn)場(chǎng)制作坡底鋼筋籠并吊裝;再使用水準(zhǔn)儀、全站儀對(duì)鋼筋籠進(jìn)行精準(zhǔn)定位和標(biāo)高控制,通過(guò)水平花籃螺栓對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行上下調(diào)節(jié),待預(yù)埋件定位安裝完成后,澆筑C40無(wú)收縮細(xì)石混凝土作為鋼骨柱(⑦自相似塊)柱腳灌漿漿料。焊接鋼骨柱及承臺(tái)鋼筋,并預(yù)埋纜風(fēng)繩預(yù)埋件、澆筑筏板墊層后安裝纜風(fēng)繩。下一步校正鋼骨柱位置后,吊裝型鋼梁,型鋼梁以鋼骨柱為支點(diǎn)構(gòu)成⑤自相似塊;筏板鋼筋綁扎完成并驗(yàn)收后,澆筑承臺(tái)底部至筏板底混凝土,卸掉纜風(fēng)繩并澆筑筏板混凝土。下一步進(jìn)行架體搭設(shè)、鋼骨柱與型鋼梁模板鋪設(shè)及鋼筋綁扎,最后澆筑梁柱混凝土(見(jiàn)圖15)。

4.2.1.2鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)鋼骨一體化制作與安裝技術(shù)

勁性鋼骨柱采用工廠預(yù)加工模式制作標(biāo)準(zhǔn)節(jié),在工廠對(duì)鋼筋主筋與鋼骨柱上的套筒進(jìn)行機(jī)械連接,在鋼骨柱上焊接下部箱形鋼梁的牛腿,再將預(yù)制好的八邊形箍筋從上部套入鋼骨柱,然后焊接上部的箱形鋼梁牛腿,并在鋼骨柱兩頭各焊接2個(gè)耳板用于吊裝,有效減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量,提高了安裝進(jìn)度,并相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)主筋搭接方式,減少了大量措施鋼筋,減少了鋼材用量。

將帶有部分層間打斷主筋、箍筋、鋼骨柱的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝,位于鋼骨柱四角的貫穿主筋采用機(jī)械套筒連接。最外側(cè)箍筋直徑過(guò)大,現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際操作時(shí)完整閉合箍筋操作難度大,因此采用2根巨型開(kāi)口箍代替。在貫穿主筋完成安裝后,根據(jù)箍筋間距進(jìn)行最外側(cè)巨型開(kāi)口箍焊接,連接位置采用一級(jí)焊縫對(duì)接雙面焊,在保證滿足規(guī)范要求的條件下,減小了現(xiàn)場(chǎng)施工難度,縮短了施工工期(見(jiàn)圖16)。

圖16 鋼骨柱平面布置及標(biāo)準(zhǔn)節(jié)

4.2.1.3自相似幕墻結(jié)構(gòu)體系的整體插槽裝置

對(duì)于自相似幕墻結(jié)構(gòu)體系的插槽裝置[9],側(cè)板相互圍合形成上端具有開(kāi)口的插槽體,插槽體的底部固定有底板,插槽體內(nèi)部設(shè)置有彈簧板,彈簧板相互圍合形成插槽。在平面上,幕墻外框架可看作①號(hào)自相似塊,在立面上,整體幕墻④號(hào)自相似塊由多個(gè)⑥號(hào)自相似塊組成,幕墻整體與局部成比例關(guān)系,便于批量化生產(chǎn)制作,安裝的裝配程度高,施工效率成倍提升,安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低,有效降低了人工成本。插槽裝置有效控制了幕墻鋼框架柱變形難點(diǎn),用有限的工廠加工構(gòu)件按幕墻結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)要求設(shè)置插槽,合理改變插槽位置,可適用于不同結(jié)構(gòu)形式的幕墻。這在一定程度上減少了現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)量,控制了結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致幕墻平面變形的問(wèn)題,幕墻成型感觀效果更好,實(shí)現(xiàn)了幕墻鋼框架標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化制造、標(biāo)準(zhǔn)化連接技術(shù)(見(jiàn)圖17)。

圖17 節(jié)點(diǎn)B-幕墻龍骨插槽裝置

4.2.2分形建造關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水平連接技術(shù)

1)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)位移變形調(diào)節(jié)裝置 分形協(xié)同建造方案與傳統(tǒng)的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工方式不同,主體鋼結(jié)構(gòu)采用預(yù)先整體拼裝后澆筑混凝土模式。采用將工字鋼梁嵌入剪力墻方式,連接⑤,⑥號(hào)自相似塊,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性。預(yù)先將埋板與工字鋼梁通過(guò)螺栓進(jìn)行臨時(shí)固定連接,考慮到鋼結(jié)構(gòu)與混凝土2種不同結(jié)構(gòu)變形差異大,埋板水平定位會(huì)有一定偏差,同時(shí)為防止后期剪力墻施工定位時(shí)由于誤差原因?qū)е侣癜逋怀黾袅γ?因此,在埋板上設(shè)置水平螺栓孔,保證埋板和工字鋼梁在最后焊接前可在水平方向上自由調(diào)節(jié),從而消解施工和變形誤差。在埋板的腹板上設(shè)置若干穿筋孔用于穿入剪力墻水平鋼筋,待剪力墻模板安裝完成后,對(duì)埋板的水平位置進(jìn)行微調(diào),調(diào)整到位后,將鋼梁和埋板進(jìn)行對(duì)接焊接,在驗(yàn)收滿足焊接要求后,可將用于臨時(shí)固定連接的普通螺栓拆除(見(jiàn)圖18)。

2)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)接縫控制技術(shù) 鋼結(jié)構(gòu)和混凝土2種不同的材料屬性差異較大,尤其在夏冬兩季,鋼結(jié)構(gòu)與混凝土交接處由于熱脹冷縮效應(yīng),兩種材料變形程度不一致,導(dǎo)致混凝土變形開(kāi)裂,因此,在實(shí)際施工中必須采取有效措施緩解裂縫問(wèn)題。為減小此問(wèn)題造成的不利影響,在箱形鋼梁與混凝土樓承板間加裝柔性橡膠條,橡膠條采取一頭大一頭小設(shè)計(jì),大頭嵌入夾縫內(nèi)側(cè)起抗拔作用,防止橡膠條被拔出,對(duì)①,③自相似塊形成有效連接。柔性橡膠條有效緩沖了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土2種結(jié)構(gòu)材料差異導(dǎo)致的溫差變形(見(jiàn)圖19)。

圖19 節(jié)點(diǎn)A-鋼梁與樓承板接縫處理

5 結(jié)語(yǔ)

大跨度鋼框組合結(jié)構(gòu)分形建造關(guān)鍵技術(shù),按謝爾賓斯基地毯模型將信息綜合樓的鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和外立面幕墻分形成若干自相似幾何平面塊,再通過(guò)模型計(jì)算論證這些獨(dú)立單元塊在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性。施工次序按先將若干鋼結(jié)構(gòu)單元組合完成再逐步施工混凝土分割單元塊,最后進(jìn)行建筑外皮大板塊單元式風(fēng)鈴幕墻組合吊裝,達(dá)到類似于門(mén)格海綿模型的施工效果。