某超高層建筑鋼桁架施工方案研究

王嘉良 （山東華天園林綠化有限公司，山東 濰坊 262500）

超高層建筑在現(xiàn)代城市中占據(jù)著顯著地位，不僅是城市的風(fēng)景線，還承載著城市發(fā)展的重要責(zé)任。在眾多的結(jié)構(gòu)形式中，鋼桁架以其出色的性能和多功能性成為超高層建筑的首選。不僅能夠提供卓越的結(jié)構(gòu)支持，還能夠輕量化設(shè)計(jì)，減輕自重負(fù)荷[1]，從而推動(dòng)超高層建筑的發(fā)展。然而，鋼桁架的結(jié)構(gòu)和施工面臨著巨大的挑戰(zhàn)。因此，鋼桁架的施工方案對(duì)于確保建筑質(zhì)量和安全至關(guān)重要[2]。本文旨在研究某超高層建筑項(xiàng)目中的鋼桁架施工方案，并深入探討施工的各個(gè)方面，包括構(gòu)件分段、桁架層鋼結(jié)構(gòu)的安裝方案、施工工藝以及懸臂桁架支撐的安裝與卸載等。關(guān)注施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)工作，包括監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析以及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析。通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)的研究和分析，提供一種更加高效和可行的施工方案，以確保超高層建筑的質(zhì)量和安全，為超高層建筑鋼桁架的施工提供實(shí)用的支持和指導(dǎo)，為未來(lái)類似項(xiàng)目的成功提供有價(jià)值的參考。

1 工程概況

某地標(biāo)性超高層商業(yè)綜合體項(xiàng)目位于商業(yè)核心區(qū)，占地總面積約為65500m2，總建筑面積約為195000m2。項(xiàng)目包括一座28 層的高層塔樓、三層商業(yè)裙房以及三層地下室。該項(xiàng)目采用混凝土核心筒-轉(zhuǎn)換鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首層設(shè)有嵌固層，第三層則設(shè)置懸挑轉(zhuǎn)換桁架，層高為9m，沿周邊設(shè)置的懸挑長(zhǎng)度約為12m，構(gòu)成了全鋼構(gòu)桁架層。從第四層開(kāi)始，采用混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)最高為C60，剪力墻的最大厚度為600mm，而第四層以下采用型鋼混凝土柱。項(xiàng)目中的懸挑端柱子使用鋼管混凝土柱，其他柱子則采用普通混凝土柱。

桁架層采用鋼骨混凝土柱框架+懸掛鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。桁架的上下弦及腹桿都采用箱型構(gòu)件，部分斜腹桿則采用箱型鋼管混凝土。桁架層的結(jié)構(gòu)包括連系桁架和懸掛桁架如圖1 所示。連系桁架主要分布于核心筒間區(qū)域內(nèi)，而懸掛桁架則分布在連系桁架的四周，共計(jì)40 榀。這些懸掛桁架，每側(cè)各有10 榀，向外懸挑長(zhǎng)度為8.4m，并由簡(jiǎn)單次桁架連接，形成了相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。桁架層的鋼結(jié)構(gòu)所采用的材質(zhì)主要為Q390D。結(jié)構(gòu)中包括勁性鋼構(gòu)件，如H 型鋼、十字型鋼骨柱以及鋼板剪力墻。上弦桿和下弦桿均采用了箱型桿，并通過(guò)H型鋼梁連接。斜腹桿則為箱型腹桿，其內(nèi)部需注入C60混凝土。

圖1 桁架層結(jié)構(gòu)

2 鋼桁架施工方案

2.1 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件分段

超高層建筑的鋼桁架施工需要高度的精確性和安全性。為確保施工質(zhì)量和施工進(jìn)度的可控性，鋼結(jié)構(gòu)采取分段施工。分段施工可以將構(gòu)件分解為小塊，減輕了單次吊裝的負(fù)荷，減小高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，增加整體的施工安全性[3]。

通常，將桁架構(gòu)件分為上下弦桿、斜腹桿等，并根據(jù)構(gòu)件的長(zhǎng)度和重量確定分段的位置。工程所用的塔吊，起重半徑為36m，最大起吊構(gòu)件的重量為11t。為此，將鋼桁架合理劃分為36個(gè)部分，確保每個(gè)部分的重量在11t以下，鋼桁架的分段如圖2所示。其中，鋼桁架GJ1、GJ2、GJ3是大型桁架，其他為小型桁架。

2.2 桁架層鋼結(jié)構(gòu)安裝方案

在桁架層的鋼結(jié)構(gòu)安裝方案中，安裝順序的選擇至關(guān)重要。一般先安裝連系桁架，再安裝懸掛桁架[4]。桁架層位于商業(yè)綜合體建筑的第三層，其中桁架的下弦位于第三層層底板位置，而上弦則位于第四層的底板位置。桁架的腹桿采用箱型構(gòu)件，其最大截面尺寸為560mm×850mm，桁架的上弦桿和下弦桿截面尺寸為1200mm×600mm。工程結(jié)構(gòu)采用了勁性框架結(jié)構(gòu)，第二、三層勁性柱澆筑完成后，開(kāi)始進(jìn)行桁架層的安裝。安裝分成4個(gè)區(qū)域，如圖3所示。

圖3 安裝分區(qū)布局

在單個(gè)區(qū)域內(nèi)，首先安裝連系桁架，然后再進(jìn)行懸掛桁架的安裝。施工的順序?yàn)?區(qū)→4區(qū)→1區(qū)→2區(qū)。在立面施工方面，施工順序?yàn)槭紫冗M(jìn)行鋼柱和鋼板墻的施工，然后進(jìn)行桁架層的下弦桿和主梁的安裝，接下來(lái)進(jìn)行桁架層腹桿的安裝，然后是桁架上弦節(jié)點(diǎn)的安裝，最后進(jìn)行弦桿和主梁、次梁的安裝。

2.3 桁架層鋼結(jié)構(gòu)施工工藝

鑒于鋼結(jié)構(gòu)桁架層的安裝需要與整體施工進(jìn)度保持協(xié)調(diào)，并且需要滿足平面內(nèi)的對(duì)稱安裝要求，對(duì)桁架層的施工方案進(jìn)行了詳細(xì)分解，總共包括16 個(gè)施工步驟，見(jiàn)表1。

表1 施工工藝內(nèi)容

2.4 懸臂桁架卸載

鋼桁架工程的懸挑桁架需要臨時(shí)支撐點(diǎn)眾多，對(duì)卸載的應(yīng)力和位移控制提出較高要求。為滿足這些要求，采用成熟的格構(gòu)式砂箱卸載方案來(lái)執(zhí)行整體支撐卸載[5]。砂箱裝置由鋼制砂粒、鋼制活塞桿和鋼制套筒組成，每個(gè)砂箱設(shè)計(jì)承載能力達(dá)到200t，最大可承載320t。在懸挑桁架的下弦位置，布置臨時(shí)支撐胎架的支撐點(diǎn)，并在二層平臺(tái)上安裝支座系統(tǒng)。臨時(shí)支撐胎架采用格構(gòu)式設(shè)計(jì)，包括法蘭盤支座、格構(gòu)式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、頂部聯(lián)系梁以及砂箱支撐等組件[6]。卸載砂箱布置如圖4所示。

圖4 卸載砂箱布置

卸載工序采用砂箱同步卸載方式，一次性同步卸載到位，能夠提高卸載效率和確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[7]。

3 鋼桁架施工監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

為確保施工質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，鋼桁架施工過(guò)程需要進(jìn)行變形量和應(yīng)力監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括桁架層上下弦桿的位移監(jiān)測(cè)和桁架層上下弦及腹桿鋼構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有助于分析結(jié)構(gòu)的變形情況以及應(yīng)力沿構(gòu)件的分布情況，尤其是對(duì)于結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)或關(guān)鍵截面處的應(yīng)力分布和位移情況[8]。還能通過(guò)分析應(yīng)力應(yīng)變情況，為施工的調(diào)整提供重要信息。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。在施工階段，每天采集記錄一次數(shù)據(jù)，竣工后每周采集記錄一次數(shù)據(jù)。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

通過(guò)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)，可以了解鋼桁架在施工過(guò)程中的變形情況，能夠有效地了解構(gòu)件的剛度、邊界條件以及連接節(jié)點(diǎn)性能等情況。監(jiān)測(cè)工作時(shí)間段從2022年5月至2023年8月，出現(xiàn)最大變形撓度的監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示。

圖6 最大變形撓度監(jiān)測(cè)曲線

由圖6 可知，撓度變形量在前期較小，但是增速較快。至監(jiān)測(cè)階段20，即建筑封頂，基本完成主體施工后，撓度變形增加速度變緩，最后趨于穩(wěn)定，最大撓度為28.2mm，處于安全可控范圍內(nèi)，鋼桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，可以了解結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的內(nèi)力狀態(tài)，以及是否存在異常情況，出現(xiàn)最大應(yīng)力的監(jiān)測(cè)曲線如圖7所示。

圖7 最大應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線

由圖7可知，施工前期階段，桁架應(yīng)力較小，尤其是在桁架層施工完成后的階段，桁架應(yīng)力保持穩(wěn)定。隨著高層建筑其他樓層的持續(xù)施工，桁架應(yīng)力不斷增大，至建筑封頂后，增速減緩，并逐步趨于穩(wěn)定。桁架最大應(yīng)力為63.4MPa，遠(yuǎn)小于型鋼材料Q390D 的屈服極限，桁架在整個(gè)施工階段處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，表明鋼桁架施工方案安全可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際的超高層商業(yè)綜合體工程項(xiàng)目，研究鋼桁架的施工方案，得出如下結(jié)論：

（1）詳細(xì)闡述了鋼桁架施工方案、施工工藝以及支撐卸載方案，采用分區(qū)、分段施工策略以及砂箱同步卸載方式，減小了高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了整體施工的安全性，保障了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

（2）施工監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，關(guān)鍵部位的撓度變化范圍較小，小于型鋼材料Q390D 的屈服極限，桁架在整個(gè)施工階段受力正常，整體結(jié)構(gòu)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，驗(yàn)證了鋼桁架施工方案的有效性。