巨型鋼框架多核心筒結構體系中鋼板剪力墻的安裝

中國建筑第八工程局有限公司天津分公司 天津 300452

1 工程概況

天津市濱海新區于家堡金融區起步區03-04地塊工程占地面積約3.4萬 m2，總建筑面積約19.3萬 m2，建筑高度60 m，地上12 層，地下2 層，為巨型鋼框架多核心筒結構體系，主體結構總用鋼量約4.5萬 t。地上設計為8 個鋼結構核心筒體與外圍鋼管柱框架結構拉結的形式，8 個核心筒體均由方鋼管柱、鋼板剪力墻和加勁肋、邊框梁以及鋼骨柱組成，地上核心筒鋼板剪力墻厚度有20 mm和30 mm兩種。

巨型鋼框架多核心筒結構形式效果圖、核心筒鋼結構分別如圖1、圖2所示。

圖1 巨型鋼框架多核心筒結構體系效果圖

2 鋼板剪力墻安裝關鍵技術

2.1 總體安裝方法

于家堡金融區起步區03-04地塊工程地上8 個核心筒邊框柱間自首層至12層均設置有鋼板剪力墻，由于鋼板剪力墻在結構正常使用過程中作為一抗側力構件，不承擔豎向荷載。因此，采取先安裝鋼板剪力墻并臨時固定，保證在主體鋼結構安裝施工前使鋼板剪力墻不受豎向力，待全部鋼結構安裝完畢后再進行焊接施工，最后達到整個核心筒鋼結構整體受力的狀態。具體步驟如下：

圖2 核心筒鋼結構示意

1）首先按照設計圖紙要求，吊裝鋼板剪力墻兩側鋼管邊框柱，隨后進行柱間焊接施工。

2）在鋼結構加工廠內將鋼板剪力墻頂面與邊框梁下翼緣拼裝完成，運送至現場后整體進行吊裝，若構件自重較大，則需分段吊裝，如圖3所示。

3）吊裝后，邊框梁與兩側鋼管邊框柱伸出的牛腿焊接施工，之后采用螺栓將鋼板剪力墻兩側邊與鋼管邊框柱附帶板邊通過預留孔臨時固定牢固。鋼板剪力墻底邊自由，如圖4所示。

4）上述做法反復進行至全部鋼結構安裝完成，隨后將鋼板剪力墻兩側與鋼管邊框柱附帶板、底部與邊框梁上翼緣附帶板采取雙夾板與角焊縫的焊接方式進行拼接，拼接完成后取出臨時固定螺栓，完成施工。

圖3 鋼板剪力墻整體吊裝

圖4 鋼板剪力墻與邊框柱附帶板螺栓連接臨時固定

2.2 鋼板墻焊接時間的分析確定

鋼板剪力墻作為一種抗側力構件，具有較大的彈性初始剛度，當承受外力作用時其變形能力大，具有很好的塑性和穩定的滯回特性。因上述特點并結合鋼板剪力墻自身的形狀特征，由于其寬厚比大，在側向力較小時易發生局部屈曲，同時隨著側向力逐漸增大，拉力沿著鋼板墻角向傳遞至周邊梁柱節點位置，從而對邊框柱形成附加彎矩。

通過上述分析可知，在進行鋼板剪力墻體安裝施工時，鋼板剪力墻焊接前整個鋼結構體系需全部安裝完成，結構變形趨于穩定后即可進行鋼板剪力墻的焊接施工。

2.3 大尺度鋼板剪力墻焊接施工過程數值模擬和焊接工藝的確定

由于本工程鋼板剪力墻平面尺寸大，邊框構件約束作用強，焊接時會產生較大的焊接應力及變形。鑒于國內外對此類剪力墻的施工方法缺乏相關經驗，針對本項目擬選取2 種典型區格的剪力墻（板厚分別考慮30 mm、20 mm），如圖5所示。

圖5 典型區格的鋼板剪力墻體

采用ABAQUS軟件建立典型區格的三維鋼板剪力墻實體模型，考慮熱-結構耦合效應，通過焊接方案數值分析比較，對焊接工藝進行評定，確定合理的施焊順序，減小焊接應力和變形。具體思路如下：

模壓工藝參數對聚酰亞胺樹脂壓縮強度的影響及其數學模型的建立方 琳 BURYA A I俞鳴明任慕蘇 KALINICHENKO C B EREMINA E A (2,272)

1）針對典型區格1和2，建立簡化合理的三維實體模型，包括梁柱、鋼板剪力墻、焊縫（與剪力墻連接的兩側邊和底部焊縫）等；

2）根據施焊工藝與次序，進行焊接施工熱分析模擬，計算出焊接過程中鋼板剪力墻的溫度場分布；

3）根據溫度場分布，對鋼板剪力墻進行結構分析，計算出鋼板剪力墻的焊接殘余應力和變形；

4）通過對比分析、計算并進行上述步驟焊接方案計算比較，最終確定鋼板剪力墻合理的焊接工藝、施焊順序，即總體焊接自上而下逐層進行，單層鋼板剪力墻體焊接施工時，先兩側、后底部，兩側施焊對稱同時自上而下進行的焊接施工順序。

2.4 鋼板墻的應力、應變和變形監測

2.4.1 主體鋼結構安裝施工順序

本工程地上主體鋼結構安裝施工通過建立模型、分析計算以及施工方案的論證優化得出鋼結構安裝基本施工順序為：

1）第1階段：完成對1～7層（30 m以下）結構的施工；

（2）對1～7層（30 m以下）鋼管柱澆筑混凝土。

2）第2階段：完成8～12層結構的施工；

（1）先不澆筑鋼管柱里的混凝土，按分層找平法完成8～12層鋼板墻吊裝、框架、桁架的安裝和樓板的施工；

（2）對8～12層鋼管柱澆筑混凝土。

3）第3階段：自上而下焊接完成1～12層鋼板剪力墻。

2.4.2 鋼板剪力墻監測設備及測試范圍

根據工程周期長、結構形式復雜的特點，鋼板剪力墻監測設備選用振弦式傳感器，其具有抗干擾能力強、受電參數影響小、零點飄移小、溫度影響小、性能穩定可靠、耐振動、壽命長等特點，且不受電纜長度的影響并在使用區間有限部位僅需一個小截面即可安裝。同時，采用TPS1000高精度精密全站儀進行鋼板剪力墻的變形測試。

選取的測試范圍：

1）1#、2#、7#、8#核心筒位于M和K軸線上2層至12層鋼板剪力墻應力；

2）3#、4#、5#、6#核心筒位于10和16軸線上2層至12層板剪力墻應力；

3）3#、4#、5#、6#核心筒位于10和16軸線上邊框柱水平變形；

4）3#、4#、5#、6#核心筒位于10和16軸線上邊框柱豎向壓縮變形。如圖6所示。

圖6 測試部位布置

2.4.3 鋼板剪力墻監測施工

施焊前，將鋼板的表面清潔干凈，不能有氧化物或污染物，以免影響焊接質量，距離焊縫20 cm（傳感器安裝位置處）要把防銹漆刮掉以提高該位置熱能釋放能力。在測試過程中詳細記錄了施焊位置及相應時間，焊接過程中，在現場全程對溫度和應變傳感器實施數據采集，通過紅外測溫儀密切監控傳感器處鋼板溫度，確保傳感器處于正常工作溫度范圍內工作，以保證監測數據正確有效。剪力墻的平面外變形測試采用全站儀測試，僅測試焊接施工完成后的變形。

2.4.4 鋼板剪力墻監測結果

根據鋼結構安裝施工順序，通過采用上述監測設備及監測方法并結合施工模擬分析得知，焊接完成1～12軸鋼板剪力墻后結構的變形和應力理論分析如圖7～圖9所示。

圖7 建立施工模型分析

圖8 柱最大水平位移、豎向壓縮變形

圖9 鋼板墻理論應力、應變分析

上圖中理論分析的具體數值和通過上述理論分析指導、經現場實際監測的數據對比如表1所示：

表1 不同施工階段柱和鋼板墻理論應力、實際應力、變形值

通過上述分析得知，測得的鋼板剪力墻及柱的應力、應變和變形實際監測數據均低于理論分析值，鋼結構整體安裝施工處于安全可控狀態，能夠滿足要求。

3 結語

于家堡金融區起步區03-04地塊工程巨型鋼框架多核心筒結構體系中鋼板剪力墻安裝施工關鍵技術，充分考慮了鋼板剪力墻作為抗側力構件在鋼結構體系中的受力特點。通過臨時固定、后焊接以及采用熱-結構耦合效應分析確定合理的焊接施工順序并利用監測手段對理論數據與實際監測結果進行對比分析等方式，使得鋼板剪力墻的變形得到控制，解決了鋼板剪力墻在鋼結構未完全加載受側向力較小時易發生局部屈曲，從而形成拉力帶最終對柱形成附加彎矩的難題。同時鋼板剪力墻后焊接不占用主導工序時間，節約工期、降低施工難度、保證施工質量，為類似工程施工提供了借鑒。該項鋼板剪力墻安裝施工方法已申請了國家專利，專利號為201210109137.1。