超高層高懸連跨轉換鋼桁架設計與施工技術探討

朱文峰 任青峰 唐志超

【摘要】本文針對轉換鋼桁架高懸連跨閉合的結構設計特點，對比分析了多種安裝方法，其中通常的高空懸拼法、單元或整體提升法存在明顯的局限性。最終確定分條分塊+胎架組合安裝法后，簡要闡述了結構單元劃分、安裝順序、施工模擬、厚板焊接質量控制及不等厚板對接處理、高空安全防護等方面的內容。

【關鍵詞】鋼結構;轉換桁架;組合結構;單元吊裝;厚板焊接

【中圖分類號】TU758.11

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2020）11-0097-05

目前，超高層建筑向功能多樣化、結構復雜化逐步發展，越來越多超高層建筑需以巨型框架+核心筒+加強桁架等的抗側力結構體系來滿足結構設計要求，其轉換桁架結構亦趨向節點復雜化、形式多樣化、構件大型化發展。對于超高層建筑而言，轉換加強桁架層的設計與施工是最為復雜和重要的環節，其構件安裝精度、焊接質量要求高，但往往由于施工環境復雜、桁架結構形式多樣、截面大、厚度大、材質性能要求高，存在不等厚板對接、變截面、節點處焊接應力復雜多變、施工技術復雜等特點。因此，其結構設計、單元劃分、安裝方法的選擇、安裝順序、施工模擬、厚板焊接質量控制、高空安全防護至關重要。

1.工程概括

塔樓地下3層，地上41層，結構總高度175.7m，標準層平面尺寸46.2m×46.2m，其中-3F和-2F層平面布置8根CFRT柱，1F、2F層高11.1m，3F、4F層高5.1m，5F-41F標準層層高4.1m，3F～6F為W形轉換鋼桁架。桁架標準跨單跨總長20.2m，懸挑部分水平向為對稱折線形式，單邊總長10.6m，總高18.55m，吊裝凈高最大值46m。桁架層整體效果見圖1。

2.結構設計分析

塔樓轉換鋼桁架為鋼-混凝土組合結構類型，能夠有效地發揮鋼構件、鋼-混凝土組合構件及混凝土構件的各自優點，提供更高的承載力和更好的延性。結構體系為環向連續閉合的框架-核心筒結構，由于結構高寬比較大，核心筒鋼骨環帶與外框之間采用鋼箱梁、鋼梁連接以利用外框柱的軸向剛度，從而提高框架+核心筒組合結構的整體抗傾覆能力[1]。桁架外框CFT柱截面類型主要有矩形、方形，桁架以上標準層結構CFT柱截面類型主要是圓形，核心筒承擔了大部分的豎向和水平荷載，作為超高層建筑的第一道防線，采用SRC柱。圓形CFT柱是最理想的截面形式，其管外壁對管內混凝土的約束是均勻的向心力，而管外壁自身在管內混凝土向外擠壓力的作用下，只產生環向拉力，因而約束效果最佳，相對鋼材需求量也最少，最經濟，結構凈空較大;而多邊形、矩形、方形截面CFT柱，由于直線段一面鋼管外壁在管內混凝土向外擠壓力的作用下會趨于產生一定量的彎曲變形，從而削弱了對管內混凝土的約束作用，一定程度削弱了軸向抗壓能力，雖然管外壁對管內混凝土的約束不如圓鋼管效果理想，但因鋼材本身優良的剛度、抗拉特性等，使得多邊形、矩形、方形截面CFT柱的效果仍然很好。

在超高層結構設計時，選擇合理高效的抗側力結構體系不但可以節約材料用量、縮短工期，還可以增加建筑空間的有效使用面積。SRC柱和 CFT柱是目前兩種最常用的框架柱截面類型，兩者的力學性能、施工性能和經濟性等各有優劣，對其綜合比較如表1。

3.單元劃分

桁架層結構體系體量極大，安裝前需對其合理規劃與分節設計，以利于加工制作、運輸堆放與吊裝。桁架水平向宜劃分為多個安裝單元組織流水施工，以相鄰兩主柱間為一個安裝單元，每個安裝單元由上弦鋼箱梁、下弦鋼箱梁、斜撐腰箱梁、CFRT柱及四類關鍵節點單元組成，其CFRT柱較大截面2100mm×1350mm×80mm，高度13.95m，總重63.55t;腰箱梁截面1800mm×1350×80mm，長度13.7m，總重51.4t;上下弦箱梁較大截面1400mm×1350×80mm，長度16.8m，總重54.7t。結構單元長度最小值13m以上，最小荷載500KN以上，考慮運輸線路、車輛超長、施工場地鄰接城市次干路、支路，一側道路紅線緊接居民、商業樓等因素，即使使用液壓轉向助力系統也難以保障小半徑轉彎需求，因此，桁架豎向宜分兩節以2層[2]為一個安裝單元或者適當增加節點高度以減小主柱、弦梁、腰梁長度，盡可能減少現場焊縫數量，實現結構單元整體化、預制裝配式施工，后者為最佳方案，同時需注意分節位置宜在梁頂標高以上l.0m～1.3m[2]處。單元構件在工廠預制預拼裝，現場吊裝與焊接，內部混凝土在柱安裝完畢后灌注，灌注作業應與鋼桁架的流水施工工況相適應。桁架結構體系單元劃分示意見圖2。

4.安裝方法選擇

依據轉換桁架結構特點與現場施工條件，可采用高空懸拼法、單元或整體提升法、分條分塊吊裝法、胎架安裝法及其組合方法進行安裝。因桁架結構安裝單元多，單跨跨度不是很大，但總重約3000t，體量極大，其中單元或整體提升法存在明顯的局限性。對比分析最終選擇了分條分塊+胎架組合安裝法。

4.1高空懸拼法

利用轉換桁架結構特點，合理安排施工流程，按結構單元劃分情況進行高空懸拼，逐步完成安裝，讓結構自成體系，使先安裝完成的結構能夠承受后安裝構件的自重與其他施工荷載，采用連接短梁輔以鋼絲繩懸拉固定措施，保證桁架的穩定性。

優點：施工速度快、工期短、成本較低。

缺點：懸拉鋼絲繩的選擇設置較難，穩定性差，對已完成主體結構影響較大，安裝精度控制較為困難。

4.2分條分塊+胎架組合安裝法

在轉換桁架下部樓層承重結構上布設臨時支撐胎架，利用胎架分條分塊按單元劃分情況進行安裝與焊接后，整體卸載，卸載后拆除胎架，使結構體系受力達到設計狀態[4]。

缺點： 增加額外的胎架費用; 卸載后，胎架位于下弦箱梁與懸挑梁下方，拆除較為困難。

優點： ①桁架按普通的分條分塊安裝方法進行，最后一安裝單元合攏施工完畢，完成整體結構體系轉化后，整體卸載，施工中后荷載傳遞更符合設計狀態;②結構安全穩定性好，安裝精度有保障;③為安全防護設施搭設提供便利，施工安全性更有保障。④胎架結構可預制拼裝，施工速度快、工期短[4]。

經過技術經濟性比較，綜合分析采用分條分塊+胎架組合安裝法最優，能實現在滿足安全性的前提下，建造質量更優的工程。臨時支撐胎架布設見圖3。

5.安裝順序

5.1整體實施流程

鋼桁架結構設計→深化設計→施工設計→確定安裝順序→施工模擬→吊裝焊接→測量監測→質量檢查驗收→上部結構施工→變形監測。

5.2桁架安裝

桁架安裝分三部分進行： 桁架外框、核心筒勁性鋼骨及其之間的鋼梁、鋼箱梁、鋼懸梁安裝，核心筒領先于外框施工，因此先安裝核心筒勁性鋼骨，再安裝外框，最后安裝系梁部分，整體安裝遵循“由內向外、自下而上，先柱后梁，水平向順序循環交替進行”的原則，桁架整體水平向吊裝順序見圖4。主要吊裝設備采用履帶式起重機+塔式起重機組合方案，利用塔式起重機進行核心筒勁性鋼骨與其他小單元構件吊裝，履帶式起重機進行外框結構單元吊裝，見圖5。吊裝設備的提升高度、跨度應滿足實際結構最大高跨需求，安裝單元內的最重構件應在吊裝設備的起重能力范圍內。

以外框安裝舉例闡述桁架的詳細安裝順序：按圖①→②→③→④→⑤→⑥或①→③→②→④→⑤→⑥的順序進行，其中下弦鋼箱梁應領先于懸挑方形鋼管柱吊裝，就位后用連接短梁結合可調倒鏈、纜風繩拉緊固定，必要時設臨時牛腿支撐，見圖6。

桁架層整體安裝步驟舉例：①臨時支撐胎架布設→②桁架底部K形節點安裝→③下弦鋼箱梁安裝→④矩形、方形鋼管柱安裝→⑤桁架頂部節點、斜撐腰箱梁安裝→⑥上弦鋼箱梁安裝→⑦循環上述步驟進行下一結構單元安裝→⑧最后一結構單元閉合安裝→⑨拆除臨時胎架。見圖7。

5.3施工模擬分析

確定了安裝方法、流程、順序和具體實施步驟后，為確保施工全過程各結構單元的受力、變形在設計和規范允許范圍內工作，需采用ETABS、MIDAS Gen、ABAQUS等有限元分析軟件對施工中主體及臨時結構的強度、剛度和穩定性進行分析驗算，其驗算結果應滿足設計要求。主要分析驗證的內容包含胎架基礎、胎架結構自身、桁架層各結構單元及關鍵節點等部位的應力及變形值，模擬分析時荷載的加載、基本假定及結構模型應與施工工況順序一致，逐步驗證，并充分考慮最不利施工工況處于安全狀態;荷載組合和荷載分項系數取值，應符合現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB 50009 等的有關規定。桁架結構重要性系數不應小于 0.9，胎架基礎及其結構自身重要性系數不應小于1.0，懸吊狀態的結構單元動力系數不宜小于1.1[2]。

模擬驗算一定程度上驗證了施工設計的安全、可行性， 也可根據模擬計算的變形差值，在結構懸挑部位適當起拱，確保建筑使用階段樓面板、梁部等保持在設計要求的水平狀態。

6.厚鋼板焊接質量控制

為了減小桁架結構單元對接與節點焊縫部位復雜多變的焊接應力，關鍵節點宜工廠制作，現場與箱梁、管柱對接，建筑底層8根CFRT柱截面3400mm×2300×60mm，桁架層管柱、箱梁最大截面尺寸2100mm×1350mm×80mm，主材材質為Q390GJC，對口采用全熔透焊縫，主要對接口均為一級焊縫。焊接總體順序應與吊裝工況一致，由于結構單元截面較大，因此同一截面的焊接應遵循“先內部后外部、前后左右對稱，同時同向同規范施焊”的原則，見圖8，桁架層關鍵節點形式、連接形式見圖9、圖10。

6.1焊接前準備

選用Q390GJC鋼板作為40mm、60mm與80mm厚箱形構件母材，應嚴格控制硫含量，選用低氫型藥芯焊絲;采用CO2氣體保護焊接方法;構件進場后按規定進行入場檢查與驗收。

施工單位應配備符合焊接工藝技術要求的焊接技術人員、檢驗人員、檢測人員及焊工，各類人員應具備相應的資格證書，并在證書合格項目、合格范圍及有效期內從事相應的工作。對首次采用的鋼材、焊材、焊接方法、接頭形式、焊接位置、焊后熱處理等參數及參數組合，應在施工前進行焊接工藝評定試驗[2]。試驗的方法與要求應符合現行國家標準《鋼結構焊接規范》GB50661的有關規定。并應依據試驗報告編制詳細的焊接工藝作業指導書，焊接作業環境溫度、濕度等條件應符合設計和規范要求，考慮北方氣候條件與焊接方法，其作業區最大風速利用下述安全操作平臺結合必要的擋風設施控制在2m/s以內。

6.2現場焊接

進行現場焊接時，嚴格按照焊接工藝評定試驗報告、焊接工藝作業指導書、厚板焊接專項方案的要求控制施焊作業參數，焊口兩側預熱加熱寬度不小于施焊部位板厚的1.5倍，且≥100mm;后熱時間按每25mm板厚≥0. 5h且最短時間≥1h確定[4];由于結構單元截面大、厚度大、填充量大，應堅持分段對稱、分層多道同時同向同參數施焊，使焊接應力分布均勻，減少應力集中;并應先施焊收縮量較大的部位、后施焊收縮量較小的部位，對接縫應在拘束較小的狀態下施焊，且斜撐腰梁、鋼箱梁、鋼梁等結構單元不得兩端同時施焊。

6.3不等厚板處理

桁架是對整個建筑結構受力體系的轉化結構層，大多會涉及不等厚板問題，常用的處理方法有對厚板削薄、薄板加厚、利用對接焊口焊縫平緩過度、設中隔板等，見圖11。綜合分析比較，使用超大型構件厚板結構時設中隔板效果最佳，結構受力、荷載傳遞最為合理，同時依據相關標準設置符合設計和規范要求的坡口形式，利于保證焊接質量。

7.高空安全防護

為保證結構單元吊裝、焊接等作業過程中施工人員有相對舒暢的安全操作空間，需隨桁架結構的安裝進度，在支撐胎架與已完成的下部結構柱頂端搭設懸挑式安全操作平臺，在柱與胎架一側搭設垂直登高鋼梯，在鋼梁上搭設自立式雙道安全繩，實現高空作業安全防護的要求，見圖12。

小單元構件、高空散件等安裝時，施工下方必須采用軟性安全防護網封閉，見圖13。在首層桁架下方平面區域及起重機作業范圍必須設警戒區，施工期間派專人值守，嚴禁非作業人員進入[5]。

8.結語

在超高層轉換鋼桁架設計時，不僅要考慮房屋建筑的使用功能、節點構造及承載力要求，還要考慮實際施工的可行性，特別要考慮加工制作、安裝技術水平、運輸及施工現場條件等因素。對施工單位而言，必須嚴格執行國家、行業現行規范標準，仔細研讀設計文件要求，精心組織施工設計、策劃工作，嚴格按獲批的施工方案、技術措施、作業指導書等施工，同時對各結構單元、節點的安裝位置、標高仔細測量校正，對結構變形不間斷觀測，控制安裝精度、焊接質量，在確保安全的前提下建造高質量的精品工程。

參考文獻

[1]馬星，狄春良等.高強鋼材鋼結構工程的應用[D].第十一屆全國現代結構工程學術研討會，2011.

[2]《鋼結構工程施工規范》GB50755-2012[S].

[3]《鋼結構焊接規范》GB50661-2011[S].

[4]劉寧波，張振興等.超高層建筑高空懸挑轉換鋼桁架施工技術[J].施工技術，2014（8）.

[5]《建筑工程施工質量驗收統一標準》GB50300-2013[S].

（作者單位：鄭州寶冶鋼結構有限公司）