高層建筑中上下相鄰雙層大跨度鋼桁架施工技術(shù)

邱經(jīng)緯

上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)開發(fā)股份有限公司 上海 200126

隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型高層、超高層建筑越來越多地出現(xiàn)在我們的視野中，其中鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、整體剛性好等諸多優(yōu)點(diǎn)而被大量應(yīng)用[1-5]。

目前，鋼結(jié)構(gòu)在高層、超高層建筑上的運(yùn)用日益成熟，逐漸成為主流的建筑結(jié)構(gòu)，而鋼結(jié)構(gòu)建筑在兼顧經(jīng)濟(jì)實(shí)用的同時(shí)也向著造型美觀獨(dú)特等方向發(fā)展，其中大跨度桁架是比較有代表性的一種結(jié)構(gòu)形式。

現(xiàn)在大跨度桁架的應(yīng)用越來越多[6-9]，但以單層桁架為主。上下相鄰雙層大跨度鋼桁架施工工況復(fù)雜，施工難度較大，在建筑中應(yīng)用較少。

本文針對項(xiàng)目結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，采用了上下雙層桁架支撐轉(zhuǎn)換的施工工藝，有效解決了1層混凝土樓板承載力不能滿足雙層桁架荷載的施工難題，為后續(xù)類似工程總結(jié)出一套切實(shí)可行的施工工藝。

1 工程概況

前灘10-01地塊（辦公及住宅）項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)Z000801單元，東至文騰路，南至泳耀路及東方體育中心，西至文樂路，北至林耀路（規(guī)劃）及在建的05-02地塊工程。總用地面積約15 280 m2，總建筑面積約102 297.7 m2，其中地上建筑面積約61 447 m2，地下建筑面積約40 850.7 m2。

本項(xiàng)目由1#樓（9層辦公）、2#樓（8層綜合體）、3#樓（14～15層住宅）、4#樓和7#樓（1層街坊電站/商業(yè)）、5#樓（15層住宅）、6#樓（12～15層住宅）、8#樓（6～15層住宅）及地下3層的地下室組成。

本文敘述的上下雙層大跨度桁架分布于2#樓，2#樓結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架＋鋼框架＋鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，最大板厚為40 mm，材質(zhì)為Q345B、Q345GJB、Q420GJB。本項(xiàng)目2#樓結(jié)構(gòu)效果如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目2#樓結(jié)構(gòu)效果

2 上下相鄰雙層桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工難題

2.1 上下相鄰雙層桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本項(xiàng)目大跨度鋼桁架共上下2層，分布于2#樓3夾層—4層和6—7層（中間的第5層為架空層），桁架最大跨度為38.8 m。雙層桁架結(jié)構(gòu)立面如圖2所示。

圖2 雙層桁架結(jié)構(gòu)立面

3夾層—4層存在6片桁架，6—7層存在11片桁架，共計(jì)17片桁架。桁架分為上弦桿、下弦桿、斜腹桿三部分，全部由焊接H型鋼構(gòu)件組成。

2.2 上下相鄰雙層桁架施工難點(diǎn)

1）桁架分段，高空散裝。受限于構(gòu)件運(yùn)輸超限、塔吊起重能力、現(xiàn)場場地狹小等因素，現(xiàn)場只能采用桁架下方布設(shè)支撐，分段高空拼裝、焊接的方法進(jìn)行安裝。

2）1層混凝土樓板存在高差。3夾層—4層桁架下方為多功能劇場，因功能劃分為主臺、側(cè)臺、觀眾席、樂池等，故1層樓板標(biāo)高存在多處高差，影響3夾層—4層桁架支撐布設(shè)。

3）1層樓板不能滿足桁架安裝荷載要求。經(jīng)計(jì)算，3夾層—4層桁架安裝完成后，1層樓板及部分鋼筋混凝土梁應(yīng)力比最大達(dá)到0.9，雖滿足要求，但安全系數(shù)較低；如在此基礎(chǔ)上繼續(xù)安裝6—7層桁架，1層樓板及混凝土梁將不能滿足要求，存在極大的安全隱患。

3 施工工藝和方法

3.1 鋼桁架分段及支撐

本項(xiàng)目計(jì)劃采用散件吊裝、高空拼接、焊接的方式安裝，鋼桁架的分段合理性尤為重要。本項(xiàng)目桁架分段時(shí)重點(diǎn)考慮構(gòu)件運(yùn)輸、塔吊起重能力、下部支撐布設(shè)位置等多方因素，具體分段如圖3所示。

圖3 桁架分段示意（單位：t）

桁架安裝采用格構(gòu)式胎架作為高空散拼支撐，主要用于下弦桿件拼接支撐。為保證胎架穩(wěn)定以及滿足承載力要求，每組胎架頂?shù)自O(shè)置轉(zhuǎn)換梁。轉(zhuǎn)換梁采用HW400 mm×400 mm×13 mm×21 mm型鋼。胎架底座下部放置厚20 mm鋼板，將荷載均勻傳遞至樓板。

胎架頂部工裝由H型鋼組成。胎架頂部設(shè)置轉(zhuǎn)換梁，豎向采用截面為HW400 mm×400 mm×13 mm×21 mm型鋼調(diào)整標(biāo)高。距桁架下弦底部40 cm處設(shè)置橫梁，用于卸載時(shí)放置千斤頂。頂部工裝如圖4所示。

圖4 頂部工裝

3.2 1層混凝土樓板高差解決措施

3夾層—4層桁架下部支撐布置在1層混凝土樓板及混凝土梁上，根據(jù)1層樓板各處標(biāo)高高差布設(shè)H型鋼轉(zhuǎn)換工裝，消除樓板高差，使支撐底部轉(zhuǎn)換橫梁保持水平且穩(wěn)定受力，同時(shí)考慮混凝土梁柱位置，減小安裝荷載對樓板的影響，具體如圖5所示。

圖5 樓板高差消除措施

3.3 上下相鄰雙層桁架安裝解決措施

經(jīng)計(jì)算，1層混凝土樓板及部分混凝土梁不能滿足雙層桁架安裝荷載要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在3夾層—4層桁架范圍內(nèi)對1層樓板進(jìn)行局部支撐加固，待3夾層—4層桁架卸載完成后拆除加固支撐。

因1層樓板不能滿足6—7層桁架荷載要求，故在6—7層桁架安裝前將支撐進(jìn)行轉(zhuǎn)換，優(yōu)先將3夾層—4層桁架底部支撐卸載，在3夾層—4層桁架上弦桿上布設(shè)支撐，使荷載加載至已安裝完成的3夾層—4層桁架上，不傳遞至1層樓板。因6—7層桁架安裝最大應(yīng)力位于桁架兩側(cè)柱截面處，故6—7層桁架卸載前土建需完成桁架范圍內(nèi)鋼骨柱混凝土澆筑，并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。同時(shí)，為減少3夾層—4層桁架荷載，4層樓板混凝土待6—7層桁架安裝完成后再澆筑，以確保結(jié)構(gòu)安全。6—7層桁架支撐布設(shè)如圖6所示。

圖6 6—7層桁架支撐布設(shè)

3.4 上下相鄰雙層桁架安裝精度控制措施

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求預(yù)拱值為1/800，經(jīng)計(jì)算，相應(yīng)桁架施工階段下?lián)辖孕∮谠O(shè)計(jì)預(yù)拱值，故桁架制作拼裝時(shí)采用設(shè)計(jì)預(yù)拱值進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)本工程桁架采用分段吊裝，考慮分段后的彎曲矢高較小，將桿件在制作廠分段起拱，現(xiàn)場通過在原有基礎(chǔ)上抬高胎架頂點(diǎn)支承面標(biāo)高處理。

卸載過程中，應(yīng)對桁架下?lián)线M(jìn)行全過程觀測。在桁架上弦及下弦桿跨中、1/4跨設(shè)置多處測量觀測點(diǎn)。桁架每隔1 h進(jìn)行一次6 mm的卸載，每次卸載時(shí)進(jìn)行2次觀測記錄，間隔30 min。觀測過程中需對每個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行記錄，最終卸載后的下?lián)现敌枧c模擬計(jì)算值進(jìn)行對比，并報(bào)送設(shè)計(jì)單位復(fù)核。

4 上下相鄰雙層桁架安裝工藝流程

4.1 2#樓鋼結(jié)構(gòu)平面分區(qū)

2#樓桁架根據(jù)結(jié)構(gòu)概況分為A、B兩個(gè)區(qū)，具體如圖7所示。

圖7 2#樓桁架分區(qū)

4.2 2#樓鋼桁架安裝流程

2#樓鋼桁架總體安裝流程為：2—3層A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)安裝→3夾層—4層A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)安裝→3夾層—4層B區(qū)鋼結(jié)構(gòu)桁架安裝→5—7層A區(qū)鋼結(jié)構(gòu)安裝，5—7層B區(qū)鋼結(jié)構(gòu)桁架安裝→8—9層A、B區(qū)安裝（封頂）。

4.3 2#樓鋼桁架施工工藝

1）2—3層A區(qū)外圍鋼結(jié)構(gòu)安裝、焊接；土建施工1—2層，同時(shí)1層樓板支撐區(qū)域加固（圖8）。

圖8 2＃樓施工工藝步驟一

2）3夾層—4層A區(qū)外圍鋼結(jié)構(gòu)安裝、焊接，B區(qū)桁架胎架安裝；土建施工2—3層，桁架安裝前完成勁性柱混凝土澆筑并達(dá)到強(qiáng)度（圖9）。

圖9 2＃樓施工工藝步驟二

3）3夾層—4層B區(qū)內(nèi)側(cè)鋼結(jié)構(gòu)桁架安裝、焊接，土建施工3—3夾層；桁架安裝過程中單榀主桁架安裝順序?yàn)橄孪覘U、腹桿、上弦桿，隨后安裝次桁架及水平支撐。過程中加強(qiáng)精度監(jiān)控（圖10）。

圖10 2＃樓施工工藝步驟三

4）5—7層A區(qū)外圍鋼結(jié)構(gòu)、B區(qū)6—7層桁架支撐安裝。支撐設(shè)置在4層桁架上弦桿上表面（標(biāo)高17.10 m），為保證支撐的穩(wěn)固性，設(shè)置斜撐與桁架上弦和轉(zhuǎn)換梁連接。安裝6—7層桁架前，需先將3夾層—4層桁架下部支撐卸載，使已安裝完成的3夾層—4層桁架受力，保證荷載不傳遞至1層樓板（圖11）。

圖11 2＃樓施工工藝步驟四

5）6—7層桁架安裝、焊接，土建施工至5—6層，桁架安裝前完成勁性柱混凝土澆筑并達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度；桁架安裝過程中先安裝主桁架，隨后安裝次桁架及水平支撐，單榀主桁架安裝順序?yàn)橄孪覘U、直腹桿、上弦桿、斜腹桿（圖12）。

圖12 2＃樓施工工藝步驟五

6）6—7層桁架下部支撐卸載拆除，8—9層A、B區(qū)（封頂）剩余鋼結(jié)構(gòu)桁架安裝，土建施工流水跟進(jìn)至結(jié)構(gòu)完成（圖13）。

圖13 2＃樓施工工藝步驟六

4.4 2#樓鋼桁架卸載工藝

4.4.1 卸載流程

經(jīng)計(jì)算，3夾層—4層桁架安裝完成后，部分鋼筋混凝土梁應(yīng)力比較大，雖滿足要求，但安全系數(shù)較低。現(xiàn)需在3夾層—4層桁架安裝完成后及時(shí)進(jìn)行胎架卸載，避免因安裝上部桁架荷載過大導(dǎo)致部分混凝土梁應(yīng)力比超出規(guī)范，造成安全隱患。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，胎架卸載總體思路為先卸載3夾層—4層胎架，后安裝6—7層桁架。

4.4.2 桁架卸載

支撐胎架頂部采用50 t液壓千斤頂作為卸載措施，在胎架上支撐短柱頂部設(shè)置厚6 mm墊片，因最大下?lián)蠟?0 mm，故每組胎架頂部設(shè)置5片墊片，墊片進(jìn)行同步抽除卸載。通過對講機(jī)統(tǒng)一指令，人工操作液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)同步卸載。每次卸載位移量為6 mm，每次卸載時(shí)間間隔大于0.5 h。

分階段對短柱頂部厚6 mm墊板進(jìn)行抽除，實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)緩緩改變位移的目的，并在卸載過程中加大位移監(jiān)測，直至桁架完成卸載后整體受力。卸載完成后，使用塔吊將標(biāo)準(zhǔn)胎架及措施胎架轉(zhuǎn)運(yùn)出場。

多人同步卸載過程控制難度大，為保證卸載過程的同步，需充分利用在構(gòu)件安裝過程中于每處胎架支撐處設(shè)置的50 t液壓千斤頂。卸載過程中，在胎架頂部的橫梁間搭設(shè)操作跳板并與胎架進(jìn)行綁扎固定。操作跳板為施工人員提供卸載操作的站位空間。

5 鋼桁架防腐、防火工藝

1）鋼桁架經(jīng)現(xiàn)場高空拼裝、焊接完成后，對對接焊縫區(qū)域進(jìn)行打磨除銹，先對此區(qū)域表面噴涂2道環(huán)氧富鋅底漆，厚度100 μm，待底漆干后，再噴涂2道環(huán)氧富鋅中間漆，厚度為80 μm。

2）對施工現(xiàn)場的桁架對接口焊縫進(jìn)行手工防腐處理，清除鋼桁架表面上的塵土、污垢等，然后再進(jìn)行防火涂料噴漆。

6 結(jié)語

現(xiàn)在的建筑多為多功能綜合性建筑，如后續(xù)高層建筑有功能、結(jié)構(gòu)、造型等特殊的要求，可以設(shè)計(jì)為上下相鄰雙層大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)，不僅可滿足建筑功能要求，而且整體外觀視覺美觀，在整體建筑結(jié)構(gòu)方面也能發(fā)揮其特有的性能。相比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雙層大跨度桁架具有結(jié)構(gòu)受力合理、鋼結(jié)構(gòu)桁架占用空間小、建筑有效面積提高等優(yōu)勢。

本項(xiàng)目闡述的施工方法和措施有效解決了上下相鄰雙層大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)施工過程中遇到的難題，且質(zhì)量均能滿足相關(guān)設(shè)計(jì)、規(guī)范要求，消除了結(jié)構(gòu)安全隱患。同時(shí)，鋼桁架結(jié)構(gòu)屬于可再利用資源，有較大的發(fā)展空間，可為社會(huì)和企業(yè)實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益。