600米級超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可實(shí)施性設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究

范志昂　張百振

摘要：近年來，隨著我國建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，使得超高層的建筑興起；同時(shí)，也帶動(dòng)了建筑工程取材的改變。建筑鋼結(jié)構(gòu)因其強(qiáng)度較高、抗震能力較強(qiáng)等特征，逐漸應(yīng)用到超高層建筑工程中。但對于600米級超高層鋼結(jié)構(gòu)來說，其節(jié)點(diǎn)十分復(fù)雜，施工的難度較大。因此在施工前，必須重點(diǎn)研究其實(shí)施性設(shè)計(jì)的可行性和必要性，以確保施工的質(zhì)量和安全性。

關(guān)鍵詞：600米級；超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)；實(shí)施性設(shè)計(jì)

600米級超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的主體結(jié)構(gòu)與其他的超高層結(jié)構(gòu)明顯不同，屬于巨型框架核心筒伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，加之核心筒主要是通過內(nèi)嵌鋼板組成的剪力墻，相較于一般的混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力更好，且連接更為方便，但鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及施工要求較高，本文主要探討600米級超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可實(shí)施性設(shè)計(jì)，以供參考。

1 工程概況

本次主要就A、B、C三座在建的600m級超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，三座超高層的建筑主體結(jié)構(gòu)均為巨型框架核心筒伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系。巨型框架主要是由環(huán)帶桁架、巨型柱組合而成，核心筒屬于內(nèi)嵌單層鋼板的組合式剪力墻。上述結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸非常大，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)十分復(fù)雜，施工難度大。

A座在建工程的建筑高度是632m，地上建筑共128層，而地下建筑共5層；結(jié)構(gòu)體系中，巨型柱8根、角柱4根、無巨型支撐、伸臂桁架6道、環(huán)帶桁架8根、鋼板剪力墻B519F、鋼結(jié)構(gòu)的重量約10萬噸。

B座在建工程的建筑高度是660m，地上建筑共115層，而地下建筑共5層；結(jié)構(gòu)體系中，巨型柱8根、無角柱、有巨型支撐、伸臂桁架4道、環(huán)帶桁架7根、鋼板剪力墻B512F、鋼結(jié)構(gòu)的重量約10萬噸。

C座在建工程的建筑高度是636m，地上建筑共125層，而地下建筑共5層；結(jié)構(gòu)體系中，巨型柱12根、無角柱、無巨型支撐、伸臂桁架4道、環(huán)帶桁架10根、鋼板剪力墻B541F、鋼結(jié)構(gòu)的重量約8萬噸。

2 600米級超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)施工的可行性

根據(jù)三座在建600m級超高層鋼結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，均采取的是巨型結(jié)構(gòu)體系，并包含了巨型伸臂桁架、環(huán)帶桁架以及整體式的SRC巨型柱；因此，所使用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸超大，節(jié)點(diǎn)十分復(fù)雜且巨大。

2.1 注腳節(jié)點(diǎn)

三座在建600m級超高層鋼結(jié)構(gòu)的巨型柱腳尺寸極其巨大，其中：

A座在建工程巨型柱底板的厚度為160mm，巨型柱底板的尺寸為4100×2740mm，柱腳形式為外露式，巨型柱錨栓直徑為M60，每個(gè)巨型柱柱腳錨栓的數(shù)量為50個(gè)，巨型柱底板的錨栓孔徑為Φ90.底板錨栓孔的施工方法為后孔法。

B座在建工程巨型柱底板的厚度為150mm，巨型柱底板的尺寸為5742×2450mm，柱腳形式為埋入式，巨型柱錨栓直徑為M60，每個(gè)巨型柱柱腳錨栓的數(shù)量為23個(gè)，巨型柱底板的錨栓孔徑為Φ90，底板錨栓孔的施工方法為后孔法。

C座在建工程巨型柱底板的厚度為160mm，巨型柱底板的尺寸為3332×2230mm，柱腳形式為外露式，巨型柱錨栓直徑為M52，每個(gè)巨型柱柱腳錨栓的數(shù)量為10個(gè)，巨型柱底板的錨栓孔徑為Φ78，底板錨栓孔的施工方法為先孔法。

由上述技術(shù)指標(biāo)分析可知，柱腳節(jié)點(diǎn)施工中的最大難題是如何確保巨型柱柱腳分段安裝時(shí)，所有在混凝土大底板上的預(yù)埋錨栓能順利地穿過底板孔。但由于混凝土的大底板必須是一次性澆搗成形，且澆搗的過程中，存在巨大的水平推力，而為克服水平推力的影響，須設(shè)置柱腳錨栓以固定支架。

除此之外，為進(jìn)一步提升抗風(fēng)險(xiǎn)的系數(shù)，A、C兩座建筑巨型柱底板錨栓孔施工的方法均選擇了后孔法，此種施工方法還有一次調(diào)整的機(jī)會，能夠確保施工的萬無一失。

2.2 鋼板剪力墻的連接節(jié)點(diǎn)

三座在建600m級超高層鋼結(jié)構(gòu)核心筒下部所使用的均是內(nèi)嵌單層鋼板組合式剪力墻，整體均呈現(xiàn)出九宮格的形式。而鋼板剪力墻的安裝和分段通常是長方形狀，豎向跨越了兩個(gè)樓層，約10m；而橫向<3.2m。[1]

鋼板剪力墻分段的上下連接節(jié)點(diǎn)主要采用的是焊接節(jié)點(diǎn)，而左右端口主要采用的是栓接節(jié)點(diǎn)，此種節(jié)點(diǎn)連接方式的最大優(yōu)勢在于加快了安裝的速度以及減少了焊接的工程量等；但缺點(diǎn)是須使用大量連接板以及高強(qiáng)螺栓，增加了工程造價(jià)。另外，還存在一個(gè)技術(shù)方面的缺陷，即螺栓穿孔率難以保證；而要進(jìn)一步保證螺栓的連接，就必須采取更為行之有效的對策，即焊接節(jié)點(diǎn)。

2.3 樓面梁和巨型柱連接節(jié)點(diǎn)

三座在建600m級超高層鋼結(jié)構(gòu)體系施工的方案主要是核心筒領(lǐng)先外框約610層，巨型柱鋼結(jié)構(gòu)、樓面鋼梁施工同樣領(lǐng)先巨型柱外包混凝土約610層。

但由于鋼骨巨型柱的周邊，存在著比較厚的混凝土結(jié)構(gòu)，其與樓面鋼梁連接增加了施工難度，致使樓面梁和巨型柱連接節(jié)點(diǎn)也與普通鋼梁連接的節(jié)點(diǎn)大不相同。而在設(shè)計(jì)樓面梁和巨型柱連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，須考慮：①鋼梁和鋼骨巨型柱之間的可靠連接；②不會影響到巨型柱混凝土模板的建設(shè)以及爬升；③須便于巨型柱周邊的鋼筋綁扎。

2.4 伸臂桁架和核心筒的連接節(jié)點(diǎn)

三座在建600m級超高層鋼結(jié)構(gòu)的核心筒使用的是頂模平臺系統(tǒng)以實(shí)施核心筒墻體結(jié)構(gòu)作業(yè)；而頂模系統(tǒng)將鋼筋、模板和混凝土澆筑等工程集合在一個(gè)系統(tǒng)之中，大大提升了核心筒結(jié)構(gòu)施工的效率。[2]且在實(shí)施有關(guān)作業(yè)期間，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)的全封閉，從而使高空作業(yè)轉(zhuǎn)變成平臺作業(yè)，提升了高空作業(yè)的安全系數(shù)。但由于三座在建600m級超高層鋼結(jié)構(gòu)存在多道的伸臂桁架，其在和核心筒進(jìn)行連接時(shí)，在靠近核心筒部位處存在一個(gè)尺寸較大且超出核心筒的牛腿節(jié)點(diǎn)，嚴(yán)重妨礙了頂模平臺系統(tǒng)作業(yè)，阻礙了施工進(jìn)度；而為進(jìn)一步縮短外伸的距離，只能通過焊接節(jié)點(diǎn)的方式來控制牛腿伸出的距離。

2.5 強(qiáng)化層桁架工地的連接節(jié)點(diǎn)

強(qiáng)化層桁架工地的連接節(jié)點(diǎn)主要包括：伸臂和環(huán)帶桁架、核心筒、巨型柱安裝分段的連接節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)不僅影響到結(jié)構(gòu)整體的性能，而且還關(guān)系著整個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性。

3 600米級超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可實(shí)施性設(shè)計(jì)

依據(jù)三座在建600m級超高層鋼結(jié)構(gòu)特征，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段，須考慮現(xiàn)場施工的+可實(shí)施性，即實(shí)施性設(shè)計(jì)。在進(jìn)行實(shí)施性設(shè)計(jì)時(shí)，還必須確保：項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域?qū)嶋H情況、施工單位作業(yè)能力、設(shè)備水平等應(yīng)納入考慮的范疇內(nèi)；要擬定超重、超大構(gòu)建安裝和運(yùn)輸方案；設(shè)計(jì)文件應(yīng)包含超重、大采購、制度和施工等的技術(shù)要求和可操作性。

3.1 柱腳節(jié)點(diǎn)可實(shí)施性設(shè)計(jì)

（1）不管是埋入式還是外露式的柱腳，其底板錨栓孔的直徑必須采用1.5倍錨栓直徑，以滿足施工的要求；

（2）巨型柱底板錨栓可選用先孔法；

（3）設(shè)計(jì)的圖紙上必須明確巨型柱、鋼板剪力墻的底板錨栓固定等措施，同時(shí)，要求施工企業(yè)制定科學(xué)、合理地專項(xiàng)施工方案，進(jìn)而確保錨栓準(zhǔn)確定位。

（4）根據(jù)實(shí)際底板澆筑工況計(jì)算并設(shè)置巨型柱柱腳錨栓的固定支架。

（5）施工的圖紙上，必須標(biāo)明柱腳錨栓固定支架的做法。

3.2 鋼板剪力墻的連接節(jié)點(diǎn)實(shí)施性設(shè)計(jì)

（1）鋼板剪力墻的厚度不足30mm時(shí)，上、下連接節(jié)點(diǎn)可采用焊接的方式，左、右連接節(jié)點(diǎn)則可采用焊接或栓接的方式。

（2）鋼板剪力墻的厚度在30mm及以上時(shí)，上、下、左、右連接節(jié)點(diǎn)均采用焊接的方式。

（3）若采用的是栓接方式，應(yīng)告知施工單位加入相應(yīng)的措施以確保螺栓的穿孔率。

（4）從實(shí)施性的角度來看，全焊接節(jié)點(diǎn)是較為理想的一個(gè)方案；但為進(jìn)一步克服焊接的工程量，施工人員應(yīng)積極引入高效的焊接方案。

（5）鋼板的剪力墻上應(yīng)設(shè)置混凝土流淌孔，從而避免或減小因混凝土攪拌不均勻而造成的變形，并保證鋼板剪力墻的上、下兩個(gè)連接段的垂直度。

3.3 樓面梁和巨型柱連接節(jié)點(diǎn)的實(shí)施性設(shè)計(jì)

樓面鋼梁、巨型柱鋼結(jié)構(gòu)施工是先進(jìn)行外包的混凝土施工從而致使鋼骨巨型柱的周圍存在較厚的混凝土結(jié)構(gòu)，最終增加了樓面鋼梁的連接難度，且連接的結(jié)節(jié)也與普通的鋼梁連接節(jié)點(diǎn)不盡相同。因此，應(yīng)在巨型柱的周邊鋼梁和鋼骨間設(shè)置連接的過渡段。為進(jìn)一步確保鋼骨及其周圍鋼筋的連接，應(yīng)在巨型柱的周邊鋼梁過渡處保留安全儲備。

3.4 伸臂桁架和核心筒連接節(jié)點(diǎn)的實(shí)施性設(shè)計(jì)

伸臂桁架和核心筒連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)選用焊接方式，且施工單位還應(yīng)在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)盡可能選用焊接機(jī)器人或指定特定的工藝和流程。同時(shí)，將實(shí)施性納入到考慮的范疇內(nèi)，將連接伸臂桁架和核心筒內(nèi)柱的牛腿外伸距離控制在600mm以內(nèi)。[3]

3.5 強(qiáng)化層桁架工地的連接節(jié)點(diǎn)的實(shí)施性設(shè)計(jì)

（1）應(yīng)優(yōu)先考慮焊接的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而減少吊裝分段重量、尺寸，以提升鋼結(jié)構(gòu)可實(shí)施性；（2）對于關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)對現(xiàn)場焊接的質(zhì)量提出重點(diǎn)檢測要求。

4 結(jié)論

根據(jù)600米級超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑所具有的結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)在各個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期全面的引入實(shí)施性的設(shè)計(jì)，綜合考慮施工便捷性、安全性、可控性去優(yōu)化重要節(jié)點(diǎn)以便從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上及管理上確保鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪志剛.600米級超高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可實(shí)施性設(shè)計(jì)重點(diǎn)探討[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2016，18（1）：6674.

[2]汪金祥，劉曙，戴維，等.BIM技術(shù)在超高層復(fù)雜外框巨柱鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2017，46（24）：7678.

[3]胡明.淺析多層及超高框架鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)連接施工方法[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016，（16）：11251127.