南寧東盟塔巨型環(huán)帶桁架施工關(guān)鍵技術(shù)

金 平，唐飛虎

(中冶(上海)鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司,上海 201908)

0 引言

環(huán)帶桁架一般作為轉(zhuǎn)換桁架,通過環(huán)帶桁架將上部樓面荷載傳遞至巨柱,起到轉(zhuǎn)換作用。為滿足環(huán)帶桁架的受力要求,一般環(huán)帶桁架均具有重量超重、跨度超大、高度超高的特點(diǎn),而且其連接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜,所采用鋼板材質(zhì)等級(jí)較高(一般為Q390GJC,Q420GJC)、厚度厚(達(dá)到100 mm以上),環(huán)帶桁架的以上特點(diǎn)給其安裝施工帶來了巨大困難,因此如何在復(fù)雜的施工環(huán)境下保證環(huán)帶桁架安裝精度、焊接質(zhì)量是主要施工控制點(diǎn)。本文對(duì)超高層巨型環(huán)帶桁架施工過程進(jìn)行研究,并對(duì)其施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

1 工程概況

1.1 總體概況

南寧東盟塔位于廣西省南寧市五象新區(qū),建成后將成為集金融、餐飲、購物、酒店、辦公功能于一體,進(jìn)行全方位服務(wù)的高檔CBD區(qū)域,是極具城市標(biāo)識(shí)性的超高層建筑(見圖1)。塔樓總建筑面積約為21.4萬m2,建筑高度約為346 m,由地上75層地標(biāo)塔樓和3層地下室組成。塔樓投影平面呈三角形布置,且向結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)以小角度傾斜,塔樓首層平面尺寸約為66.2 m×62.6 m×62.6 m,漸變至頂層時(shí)平面尺寸約為37.8 m×42.7 m×42.7 m。

東盟塔建筑結(jié)構(gòu)形式采用巨型柱外框+帶狀桁架+核心筒雙重結(jié)構(gòu)體系,核心筒剪力墻內(nèi)部設(shè)置有H型、王字型鋼骨柱,帶狀桁架層高度范圍內(nèi)核心筒內(nèi)部設(shè)置有鋼腳筒、鋼板墻,巨型柱采用鋼管混凝土柱,矩形柱位于建筑平面角部并貫通至結(jié)構(gòu)頂部,巨型柱材質(zhì)為Q420GJC,最大截面尺寸為3 250 mm×3 037 mm×2 353 mm×2 050 mm×45 mm。

1.2 帶狀桁架層概況

塔樓共設(shè)置3道帶狀桁架加強(qiáng)層,分別位于F29—F31層、F51—F52M層、F73—F75層(見圖2),本文重點(diǎn)介紹第一道帶狀桁架的施工關(guān)鍵技術(shù)。

第1道帶狀桁架高度約為10 m,跨度約為46 m。加強(qiáng)層帶狀桁架主要由桁架巨柱節(jié)點(diǎn)、桁架節(jié)點(diǎn)、桁架腹桿、桁架上弦桿、桁架下弦桿組成,其中上、下弦桿及腹桿采用焊接H型鋼,巨柱節(jié)點(diǎn)與桁架節(jié)點(diǎn)采用異形箱形節(jié)點(diǎn),桁架主要材質(zhì)為Q420GJC,最大鋼板板厚為100 mm。F29—F31桁架層模型圖見圖3[1]。

2 施工重難點(diǎn)分析

2.1 帶狀桁架巨柱節(jié)點(diǎn)分段

帶狀桁架層為加強(qiáng)層,桁架巨柱節(jié)點(diǎn)和桁架節(jié)點(diǎn)受力較大,為滿足桁架節(jié)點(diǎn)承載力要求,桁架節(jié)點(diǎn)位置增加了大量受力隔板和加勁板,且桁架桿件主材均為厚板(最大厚度100 mm),以上原因致使帶狀桁架層構(gòu)件重量劇增,桁架巨柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件重量超出塔吊的起重范圍,極大增加了現(xiàn)場施工難度,需在加工階段對(duì)桁架巨柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分段[2]。

塔樓核心筒內(nèi)側(cè)設(shè)置一臺(tái)型號(hào)為D1100-63N的內(nèi)爬平臂塔式起重機(jī),臂長70 m,端部額定起重量10.23 t,起重性能十分有限。桁架層巨柱位置示意圖見圖4。

根據(jù)塔吊布置,4號(hào)巨柱距塔吊最遠(yuǎn),作業(yè)半徑為37 m,額定起重量為22.7 t。1號(hào)巨柱距離塔吊最近,作業(yè)半徑為26 m,額定起重量為38 t,以1號(hào)巨柱為例介紹其分段。

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)(如圖5所示)分段需綜合考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、構(gòu)件重量、運(yùn)輸條件、施工便利性等因素,最大限度的利用現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備和場地資源。通過綜合考慮分析,采用水平分段與豎向分段相結(jié)合的方式將巨柱節(jié)點(diǎn)分為a,b,c三段,巨柱節(jié)點(diǎn)分段后質(zhì)量分別為16 t,36 t,26 t。

2.2 傾斜巨柱安裝精度控制

塔樓外形結(jié)構(gòu)整體呈內(nèi)收狀,位于建筑平面角部的巨柱隨結(jié)構(gòu)造型向核心筒側(cè)內(nèi)傾,如何保證吊裝節(jié)巨柱底面與已安裝節(jié)巨柱頂面端面平行,保證其安裝精度是施工控制難點(diǎn)。

巨柱吊裝前通過計(jì)算機(jī)模擬分析確定巨柱重心位置,根據(jù)重心位置合理設(shè)置吊點(diǎn),通過吊點(diǎn)位置計(jì)算出所需鋼絲繩長度,并設(shè)置手拉葫蘆用于微調(diào)繩長,使巨柱的吊裝姿態(tài)與就位姿態(tài)一致,降低了巨柱安裝就位的難度,巨柱初步就位后利用全站儀精確校核巨柱安裝定位,保證巨柱安裝精度。

2.3 巨型桁架高空焊接

第1帶狀桁架層巨型桁架底部位于標(biāo)高135 m位置,桁架構(gòu)件主要材質(zhì)為Q420GJC,大部分桿件板厚均大于50 mm,最大板厚100 mm,所有桁架節(jié)點(diǎn)均為剛接節(jié)點(diǎn),巨型桁架高空焊接量大、焊接難度高,如何保證巨型桁架的高空焊接質(zhì)量是本項(xiàng)目的重難點(diǎn)。

桁架焊縫焊接前通過焊接工藝評(píng)定,確定焊接工藝參數(shù),并用于指導(dǎo)現(xiàn)場焊接施工。焊接前對(duì)焊接施工人員進(jìn)行專項(xiàng)焊接培訓(xùn)并進(jìn)行考核,考核合格方可施焊。為控制巨型桁架整體焊接變形,焊接施工需嚴(yán)格按照焊接施工順序進(jìn)行施焊。

3 帶狀桁架施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 帶狀桁架分段分節(jié)

本項(xiàng)目環(huán)帶桁架板厚較厚,節(jié)點(diǎn)重量重,整體截面尺寸大,需要對(duì)桁架進(jìn)行加工分段后方可加工。桁架分段需考慮現(xiàn)場的塔吊起重性能、構(gòu)件運(yùn)輸條件、桁架結(jié)構(gòu)形式等,桁架加工分段如圖6所示。

為保證施工進(jìn)度,減少高空作業(yè)量,散件構(gòu)件運(yùn)至現(xiàn)場后,采用地面散件組拼與高空拼裝相結(jié)合的方式進(jìn)行施工。桁架地面拼裝分段,需根據(jù)桁架的分布位置、塔吊的起重性能、現(xiàn)場場地條件等因素進(jìn)行劃分。地面單個(gè)組拼單元需拼裝焊接完成后,作為單個(gè)吊裝組件進(jìn)行高空拼裝(見圖7)。

3.2 帶狀桁架安裝

本項(xiàng)目帶狀桁架層呈三角形,結(jié)構(gòu)根據(jù)對(duì)稱軸對(duì)稱布置,帶狀桁架施工采用三面同時(shí)對(duì)稱施工,與桁架連接的端部巨柱需優(yōu)先于桁架層進(jìn)行施工[3]。桁架安裝采用塔吊吊裝,部分桁架桿件需在地面組拼為吊裝單元后再進(jìn)行高空拼裝,桁架吊裝前需提前設(shè)置臨時(shí)支撐胎架。本文以第1帶狀桁架層為例介紹其施工流程(見圖8):

第一步:安裝與桁架下弦連接的F29層巨柱,并安裝臨時(shí)支撐胎架。

第二步:利用臨時(shí)支撐胎架,吊裝桁架下弦桿件,并安裝桁架與核心筒連接的樓面主梁。

第三步:安裝F30層巨柱,并安裝與巨柱相鄰的桁架腹桿節(jié)點(diǎn)及與核心筒連接的樓面主梁。

第四步:安裝F31層巨柱,并安裝剩余桁架腹桿節(jié)點(diǎn)及與核心筒連接的樓面主梁。

第五步:安裝與巨柱相鄰的桁架上弦節(jié)點(diǎn)及與核心筒連接的樓面主梁。

第六步:按照從桁架兩端向桁架中心的順序,安裝剩余上弦節(jié)點(diǎn)及與其連接的腹桿,并補(bǔ)檔安裝上弦節(jié)點(diǎn)間上弦桿件,同步安裝桁架上弦節(jié)點(diǎn)與核心筒相連的樓面主梁。

第七步:將環(huán)帶桁架焊接施工完成并驗(yàn)收合格后,采用切割胎架頂部小短柱的方式,進(jìn)行帶狀桁架的卸載施工,卸載完成后拆除臨時(shí)支撐胎架,整個(gè)帶狀桁架施工完成。

3.3 帶狀桁架焊接

3.3.1 焊接特點(diǎn)

本項(xiàng)目環(huán)帶桁架的焊接作業(yè)具有以下特點(diǎn):

1)帶狀桁架主材材質(zhì)均為Q420GJC高強(qiáng)鋼,焊接施工難度大,焊接施工需嚴(yán)格按焊接工藝評(píng)定選用焊材和焊接工藝參數(shù)。

2)桁架大部分板厚均大于50 mm,最大板厚為100 mm,厚板焊接難度大,焊接施工過程中需防止層狀撕裂,控制桁架整體的焊接變形。

3)桁架焊接均為超高空作業(yè),桁架焊縫位置種類多,橫焊縫、平焊縫、立焊縫、仰焊縫均有涉及,且部分節(jié)點(diǎn)腔體內(nèi)部尺寸狹小,焊接條件較差,整體焊接難度大。

3.3.2 焊接原則

根據(jù)本工程帶狀桁架特點(diǎn),焊接施工時(shí)采取桁架整體焊接對(duì)稱和單根桿件對(duì)稱焊接相結(jié)合的方式進(jìn)行,且在焊接過程中需對(duì)桁架的垂直度、標(biāo)高、水平度進(jìn)行監(jiān)測。

帶狀桁架焊接時(shí)需遵循下述原則:

1)先焊接主構(gòu)件后焊接次構(gòu)件,先焊接變形量大的構(gòu)件后焊接變形量小的構(gòu)件。2)桁架整體對(duì)稱、單根桿件對(duì)稱、全方位對(duì)稱焊接。3)桁架節(jié)點(diǎn)均為厚板,且焊縫長度較長,為控制其焊接變形,部分焊縫位置需增加拘束板。4)為減小焊接變形,焊接時(shí)需采用窄道、薄層、多道的焊接方法。

3.3.3 焊接順序

帶狀桁架所有吊裝單元全部吊裝就位且測量校正完成后方可焊接施工。帶狀桁架整體施焊順序?yàn)橄群赶孪液蠛干舷?由桁架中部向兩端施焊,桁架兩端與巨柱連接的焊縫最后焊接。同時(shí)為了避免焊接應(yīng)力集中,同一根桿件兩側(cè)不能同時(shí)焊接,需采用間斷焊的方法進(jìn)行焊接。帶狀桁架整體施焊順序與圖9數(shù)字序號(hào)順序一致。

4 帶狀桁架施工模擬分析

帶狀桁架的安裝施工階段分析主要以施工力學(xué)為理論基礎(chǔ),通過結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)帶狀桁架的安裝施工進(jìn)行建模模擬分析,驗(yàn)證施工方案的可行性,保證施工全過程的結(jié)構(gòu)安全[4]。本文以第一桁架層為例,分析帶狀桁架安裝過程中帶狀桁架及臨時(shí)支撐胎架的內(nèi)力分布及變形情況。

第1帶狀桁架的施工過程模擬分析采用有限元軟件Midas gen進(jìn)行建模分析,計(jì)算模型包括:桁架下部支撐傳力結(jié)構(gòu)(F26,F27層構(gòu)件)、臨時(shí)支撐胎架、帶狀桁架單元及與其連接的樓面梁(F28—F31層)、F26—F31層巨柱(見圖10)。

施工模擬分析時(shí)主要考慮原結(jié)構(gòu)自重荷載、臨時(shí)支撐自重荷載、安裝施工臨時(shí)荷載(施工機(jī)械、施工人員、安全措施)。帶狀桁架節(jié)點(diǎn)重量占比較大,為使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符,模擬計(jì)算時(shí)桁架桿件單元自重系數(shù)取1.5。安裝施工臨時(shí)荷載根據(jù)類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)分別在桁架的上、下弦桿位置施加2 kN/m的施工活荷載[5]。

通過計(jì)算分析得出第1帶狀桁架層各施工步中的應(yīng)力及變形情況。帶狀桁架施工過程中,桁架桿件最大變形和桿件最大應(yīng)力均出現(xiàn)在桁架卸載完成胎架拆除后。

桁架卸載完成胎架拆除后,標(biāo)準(zhǔn)組合下,結(jié)構(gòu)最大變形為11.34 mm(見圖11),滿足GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

桁架卸載完成胎架拆除后,基本組合下,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.59(見圖12),滿足GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

桁架卸載完成胎架拆除后,基本組合下,主傳力巨柱的最大應(yīng)力28.26 MPa(見圖13),滿足GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 結(jié)語

帶狀轉(zhuǎn)換桁架是巨柱框架+帶狀桁架+核心筒結(jié)構(gòu)中核心的組成部分,帶狀轉(zhuǎn)換桁架的安裝施工技術(shù)也是超高層建筑施工中的主要技術(shù)難點(diǎn)。超高層建筑的高度越高,其自重荷載越大,為滿足結(jié)構(gòu)受力要求,轉(zhuǎn)換桁架必然向著高度更高、跨度更大、板厚更厚、材質(zhì)強(qiáng)度更強(qiáng)的方向發(fā)展,由此研究帶狀桁架的施工技術(shù)顯得尤為重要。本文以超高層建筑南寧東盟塔為例,研究分析了帶狀桁架施工的重難點(diǎn),并對(duì)帶狀桁架的施工全過程進(jìn)行了模擬分析,同時(shí)對(duì)帶狀桁架層構(gòu)件分段、吊裝、焊接等施工過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述,希望能為日后類似工程的實(shí)施提供參考。