兩端非同步沉降剛支座的巨型鋼剪桁架施工技術

中億豐建設集團股份有限公司 蘇州 215131

1 工程概況

現代傳媒廣場位于蘇州工業園區湖東，占地約37 749 m2，項目地上建筑約22萬 m2，地下3層約10萬 m2，由世界著名的日本日建設計株式會社擔任建筑設計顧問。本工程有四大功能不一的單體組成：辦公樓、演播樓、酒店樓、商業樓。其中辦公樓高度為214.8 m，主體結構為混凝土核心筒+外鋼框架組成的混合結構，演播樓高度51 m，主體為多層鋼框架結構，連接辦公樓和演播樓的是位于4層（18.2 m）和8層（42 m）之間高24 m的巨型鋼桁架，鋼桁架跨度34.5 m，鋼桁架在中部和靠近演播樓側均有鋼板剪力墻。巨型桁架水平桿件（鋼梁）多為H型鋼，豎腹桿（梁上柱）多為箱型構件，鋼結構質量逾2 300 t（圖1）。

2 施工難點

（a）巨型桁架兩端固定在不同高差的建筑單體上，由于2 個單體高度和自重相差很大，因此沉降速率也有較大差異。選擇合適的桁架施工介入期就尤為重要。

圖1 辦公樓結構及巨型桁架示意

（b）巨型桁架在施工過程中，兩端非同步沉降還在繼續發展。如果能在施工過程中消除由于兩端非同步沉降產生的應力，那么對結構安全是非常有利的。

（c）桁架中有鋼板剪力墻，部分剪力墻有矩形洞口。選擇合適的時機進行剪力墻的施工，避免剪力墻在施工階段就由于兩端非同步沉降而承受較大剪力。

（d）桁架兩端均為剛接，兩端非同步沉降，溫度變化等使得桁架會產生很大的內應力，因此選擇合適的合攏時間和卸載時間是很重要的。

3 施工模擬及分析

3.1 數據收集及沉降分析

在兩端非同步沉降剛支座巨型鋼剪桁架的沉降差附加應力消除分析前，需對桁架下部樓面的施工荷載要求、沉降縫位置、桁架下部混凝土梁柱位置、桁架兩端沉降觀測值、牛腿位置誤差等數據進行收集。

桁架施工的合理起始時間應綜合考慮相連辦公樓在連接層的變形，該變形包含基礎沉降和施工過程中引起的辦公樓自身的豎向變形，可結合施工前的沉降觀測數據和辦公樓的施工過程分析對可能的豎向變形進行預估，以此作為沉降差附加應力消除分析的依據。

預測沉降變化的方式為采用結合CEB-FIP1990規范的規定及現場施工進度，自然環境等因素建立CEB-FIP1990混凝土模型，對混凝土模型進行模擬施工加載，以此方式對桁架兩側混凝土結構的豎向變形進行分析。從而得出各樓層的豎向位移隨施工進度的變化情況。

從豎向位移隨時間的變化曲線（圖2）中可以看出，各構件的豎向位移隨著施工時間的增長而逐漸增加，而且構件所處的位置越高，其增加幅度越大。

圖2 施工階段豎向位移模擬結果

分別以辦公樓施工到20層、30層作為桁架起始施工時間，桁架連接區域塔樓柱在桁架施工階段的豎向變形見表1。可見，在塔樓施工到20～30層之間開始桁架的施工，桁架連接區域柱的最大豎向變形介于1.42～2.86 mm之間。

綜合上述分析，施工階段與桁架連接的塔樓柱的總變形量介于3.42～5.62 mm之間。在實際施工中，考慮豎向變形，可以在辦公樓主樓施工至20層以上時進行巨型桁架的施工。

表1 桁架施工階段塔樓柱豎向位移

3.2 沉降觀測

從2013年5月28日到2013年12月19日期間桁架區域的基礎沉降量如圖3所示。可見，桁架區域基礎沉降呈現趨緩的趨勢。桁架開始施工時，兩測點的沉降速率分別為－0.023 mm/d、－0.017 mm/d。桁架安裝周期為120 d，按照上述沉降速率，基礎沉降量為－2.04～－2.76 mm。

圖3 桁架區域的基礎沉降量

3.3 關鍵節點分析

桁架梁梁連接節點構造如圖4所示。為消除桁架合攏后由于沉降所產生的內應力，經過專家指導，在巨型桁架中部1/19軸～20軸所有鋼梁的拼接節點上下翼緣暫不焊接，腹板用高強螺栓初擰作為臨時連接。這樣做的目的在于可以在安全的前提下，盡可能地將桁架最終合攏的時間延后，使得兩端的單體有充足的沉降時間，把沉降差盡可能地消除在施工階段。待鋼桁架全部施工完畢，沉降均勻后再調整螺栓連接板，將螺栓替換進行初擰，并且終擰，最后將鋼梁上下翼緣焊接。

圖4 桁架梁梁連接節點示意

4 施工重點技術

4.1 巨型桁架安裝思路[1,2]

搭設臨時支架至4層，原位拼裝16-2/21軸～P-J軸巨型桁架安裝至8層（一區），待桁架形成后，安裝二區桁架至6層（1/19-20軸），然后安裝三區鋼梁和梁上柱至6層，以后二區和三區按梁柱框架結構逐層往上安裝，至8層結構全部完成后形成巨型桁架，驗收合格后支撐卸載拆除。巨型桁架安裝分區，見圖5。

圖5 辦公樓巨型桁架安裝分區示意

4.2 巨型桁架臨時支撐體系[3,4]

辦公樓巨型桁架采用高空原位形式，中間需采用臨時支架臨時擱置，臨時支架采用拆裝方便的專用支架支撐。臨時支架采用格構式2 m×2 m×1.5 m（長×寬×高）的標準節對接形成。大桁架下弦（4層鋼梁）擱置在支撐頂部，標高為16.52 m，支撐下部支承在首層混凝土梁上。臨時支架放置時，與軸線成45°，這樣臨時支架的支腿可以支承在混凝土大梁上，臨時支架下端支腿支承在鋼板上，鋼板與混凝土樓面用膨脹螺栓固定。臨時支撐四周設置腳手架，腳手架每間隔5.4 m設置抱箍與臨時支架連接，將臨時支撐與腳手架相連接形成穩定結構。

臨時支架頂部采用可調節支座。可調節支座一般由沙漏支座及千斤頂支座等形式。雖然沙漏可調節支座的調節精度較千斤頂支座低，但不會出現漏油、卡死等隱患，因此施工時一般選擇沙漏可調節支座。

沙漏式可調節支座是根據在沙漏側面打開開口，利用沙漏內的流出細沙減少容器內的體積，使細沙上面的墊塊標高下降的原理設計的。沙箱側面距下墊板20 mm處設置螺絲口，然后擰上螺絲，螺絲Φ20 mm，它是沙子流出時的開關。墊塊用直徑略小于圓管沙箱直徑的無縫鋼管制作，加工好后在鋼管中灌注混凝土，待達到強度后即可使用。沙漏工作原理，見圖6。

圖6 沙漏式可調節支座工作原理

4.3 桁架合攏線

在跨中剪力墻位置設置合攏線，即跨中鋼剪墻和鋼剪桁架弦桿軸向的連接用高強度螺栓作臨時連接，跨中鋼剪墻和鋼剪桁架弦桿上下翼緣臨時點焊固定，待結構穩定后再進行焊接。

合攏線的選擇要事先要通過精準的計算和分析來確定，避免出現在應力集中和突變的地方。鋼桁架施工過程中通過只對梁-梁連接節點腹板螺栓進行初擰，減小施工過程中辦公樓樓主體位移對桁架的影響。螺栓在初擰狀態下的連接節點可簡化為半剛性連接節點，并忽略螺栓與連接板之間摩擦力的影響。

在主樓核心筒施工至35層和外圍鋼結構施工至28層以上時，合攏帶中1/19軸～20軸鋼梁腹板用高強螺栓替換終擰，鋼梁上下翼緣焊接固定。剪力墻板可與鋼柱同步安裝，作臨時固定，待主體結構封頂后焊接。

4.4 桁架卸載

卸荷過程中總的原則是：要充分考慮到鋼桁架系統受力——接近自由狀態下增加荷載，同時要求桁架卸荷。鋼桁架卸荷采取統一卸荷。在鋼桁架系統整體卸載前，應先測量各支撐點的標高。卸載要在1 d內完成，并于12 h后進行整體觀測。

在卸載時桁架兩邊各架1 臺水平儀，隨時對主桁架變形進行觀測。同時根據結構的受力特點，合理的布置監測點，在關鍵部位粘貼應變片，通過應片監測在卸載過程中桁架應力、變形情況。

4.5 施工過程監測[5-8]

盡管采取了各種施工措施，但是由于1/19～1/20軸之間的鋼梁非完全脫開，其緊固程度缺乏量化控制，施工時不均勻沉降所產生的內力難以精確估計。同時，不均勻沉降對臨時支撐以及對塔樓、演播樓相連結構的影響也不明確。

為確實保證施工安全可靠，需對施工過程進行監控。共請了兩所高校的鋼結構研究所對巨型桁架和鋼板剪力墻進行了施工過程的全程監測，重點是受力較大的桁架梁柱，鋼板剪力墻以及剪力墻洞口可能應力集中的部位。此次監測采用了先進的光柵光纖應變計，可以測定從初始狀態開始任何時間段的應力變化情況。這種監測產生的數據具有連續性，準確地反映了整個施工過程中桁架應力的變化情況。

在數據采集后，經過對數據的整理、分析，可以得出桁架應力變化的情況。經實際監測，桁架桿件的應變均小于理論分析值，表明施工中桁架狀態正常。