超大層高塔樓SRC外框結構上下同步施工關鍵技術

劉旭冉 任志平 戴 超 趙云鵬 王 丹 侯春明

中建三局集團有限公司西南分公司 四川 成都 610041

超高層建筑由于功能分區的不同，可能存在首層設置入戶大堂、中間樓層設置酒店大堂或室內泳池等情況，該類結構樓層高度較高，最大單層高度可達十多米。目前，高度超過200 m的超高層建筑多采用核心筒＋外框SRC（勁性骨架混凝土）柱＋組合樓板的結構形式，為加快超高層塔樓施工進度，外框SRC柱鋼骨、鋼梁先于混凝土結構施工，然而超大層高SRC柱鋼骨由于無側向約束，受壓計算長度較大，繼續施工上部樓層鋼柱、鋼梁會導致超大層高處SRC柱鋼骨受壓失穩，從而造成外框結構的整體垮塌，存在極大的施工安全隱患[1-4]。為加快塔樓施工進度，確保超大層高混凝土結構及以上樓層外框鋼結構繼續插入施工，提出超大層高SRC外框結構同步施工的方法，對保證超高層建筑超大層高SRC外框結構的安全、快速施工有著重要意義。

1 設計概況

重慶來福士廣場項目T4N塔樓地下3層，裙樓6層，地上68層（含機房層及停機坪），總高度368 m（含地下室），建筑北側為弧形風帆造型，采用帶腰桁架和巨柱外框架＋核心筒＋混合伸臂（連接核心筒角部和巨柱）的結構體系。42M層及43層為酒店和室內游泳池區域，結構形式為鋼筋混凝土，框架柱仍為SRC柱，42—44層的層高達16 m，由于鋼結構領先于混凝土結構施工，故42—44層SRC柱的鋼骨中部無任何拉結。

2 超大層高SRC外框結構同步施工模擬分析

2.1 施工工況說明

1）當前施工工況：41—42層伸臂桁架（臨時固定）、腰桁架安裝完成，外框44層鋼柱、鋼梁安裝完成；42層壓型鋼板鋪設完成；核心筒混凝土澆筑至64層，外框41層樓板混凝土已澆筑，42層樓板未澆筑，SRC柱混凝土施工至41層。

2）同步施工工況：外框鋼結構按施工計劃繼續向上施工，混凝土結構按順序進行42M、43層施工，預計43層混凝土澆筑完成時，鋼結構施工至53層。

2.2 同步施工臨時加固措施

42M層及43層為泳池層，結構形式為鋼筋混凝土結構，導致42—44層SRC柱鋼骨高達16 m，SRC柱鋼骨強弱軸方向均無任何有效拉結。綜合考慮施工便捷性、爬架附著點及經濟性，分別在42層往上6.5 m及13.2 m處增加2道H488 mm×300 mm×11 mm×18 mm臨時鋼梁對SRC柱鋼骨弱軸方向進行環向加固（圖1），鋼梁材質為Q345，與SRC柱鋼骨焊接固定，焊縫要求全焊透，焊縫等級為三級。

圖1 SRC外框柱鋼骨臨時加固措施

2.3 同步施工工況模擬復核

為分析在增加鋼梁后的結構安全性，建立ETABS模型，按實際情況建模分析結構安全性。分析的關鍵在于204～220 m之間一段高度約為16 m的鋼骨柱（SRC柱鋼骨）在承擔上部施工荷載過程中的安全性。

2.3.1 分析模型及計算參數

1）分析模型取自原設計模型，截面參數、荷載等同原設計，可以反映實際構件受力情況。

2）42層以上荷載的模擬，保留原結構的鋼構件，樓板上布置荷載（相當于壓型鋼板自重和臨時的施工活荷載），以準確反映實際的荷載情況。

3）局部分析模型（圖2）中，42—44層柱僅有鋼骨（此時混凝土尚未澆筑），其他分析參數同原設計。

圖2 局部分析模型

2.3.2 荷載取值及組合

1）施工活荷載：考慮上部樓層1 kN/m2的施工活荷載（偏安全考慮，實際施工活荷載不一定滿布）。

2）風荷載：采用臨時風荷載，考慮的年限較短，對規范風荷載可以折減，按10年一遇（偏大）基本風壓為0.25 kN/m2，參照現行荷載規范計算風荷載，考慮風壓高度變化系數、風振系數等，地面粗糙度B類。

3）地震作用：考慮10年一遇的地震作用折減。地震作用對臨時鋼柱的影響與風荷載類似，且地震作用較風荷載作用小。

4）溫度作用：結合實際情況考慮±20 K的溫差作用在臨時結構上。由于臨時工況下柱向上自由，側向樓板尚未澆筑，柱受到的約束作用很小，因此溫度內力較小。

5）42—44層層高較高，外框爬架無處附著，考慮臨時加固鋼梁作為爬架附著點位，驗算過程中應考慮爬架附著處的豎向荷載及風荷載作用。

6）荷載組合：荷載組合參照設計規范，考慮荷載分項系數及溫度作用下，共15種荷載組合。

2.3.3 結構分析

1）42—44層SRC柱鋼骨數值模擬內力設計值包絡如圖3～圖5所示。

圖3 SRC柱鋼骨軸力

圖4 SRC柱鋼骨弱軸彎矩

圖5 SRC柱鋼骨強軸彎矩

2）考慮塔樓北側為弧形結構，結構分析時柱受施工過程和整體變形影響，構件內力（主要是軸力）在不同施工過程中會略有變化。因此，除采用數值模擬內力包絡外，還按柱受荷面積近似手算柱軸力（邊柱軸力設計值111.6 kN，角柱軸力設計值502 kN），綜合二者包絡值用于后續加固構件設計復核，更為安全可靠。

3）16 m高鋼柱承載力及穩定性驗算：在各種不利組合工況下，柱最大應力比0.83，多數構件應力比小于0.5，均小于1，滿足規范承載力要求，表明增加2道連系梁后結構安全。

4）臨時加固鋼梁支撐驗算：按鋼結構規范計算鋼梁支撐柱時的承載力，應力比為0.10，表明新增鋼梁可以有效支撐鋼柱，且具有較大的安全儲備。

綜上認為，在增加2道環向加固鋼梁的情況下，SRC柱鋼骨穩定性滿足規范要求且有較高的安全儲備，可實現超大層高層及以上樓層SRC外框結構上下同步安全施工。

3 超大層高塔樓SRC外框結構上下同步施工技術

3.1 施工流程

超大層高塔樓SRC外框結構上下同步施工流程為：下層環向加固鋼梁安裝→上層環向加固鋼梁安裝→44層以上SRC柱鋼骨及鋼梁分層吊裝→整體提升爬架第1次爬升→42—44層SRC柱外包混凝土第1段澆筑→整體提升爬架第2次爬升→42—44層SRC柱外包混凝土第2、3段澆筑及泳池混凝土結構施工→整體提升爬架第3次爬升→42—44層SRC柱外包混凝土第4段澆筑→53層以上SRC柱鋼骨及鋼梁繼續分層吊裝→44—53層外框組合樓板混凝土逐層澆筑。

3.2 環向臨時加固鋼梁安裝與拆除

3.2.1 環向臨時加固鋼梁安裝固定

1）提前在SRC柱鋼骨上拉設起重葫蘆，并在加固鋼梁兩端的下翼緣安裝位置焊接2塊三角托板，作為加固鋼梁的臨時固定措施。

2）利用塔吊及起重葫蘆，將加固鋼梁吊裝就位并臨時固定。注意在吊裝過程中需要將加固鋼梁沿豎直方向稍微傾斜，以便將其放入相鄰2根鋼柱之間（圖6）。

圖6 環向臨時加固鋼梁安裝

3）嚴格按圖對加固鋼梁進行全熔透焊接固定。

3.2.2 環向臨時加固鋼梁拆除

1）拆除時間。考慮到SRC柱鋼骨外圍混凝土澆筑完成并形成強度之前都需要可靠的臨時加固鋼梁支撐，因此待44層以下SRC柱混凝土澆筑完成并達到100%強度之后，臨時加固鋼梁方可拆除。

2）拆除順序。混凝土達到強度后，SRC柱已形成可靠剛度，此時可將鋼梁按照從上至下的順序割除。

3）拆除步驟。混凝土達到強度后，采用割炬將混凝土外露鋼梁部分割除，不得使用機械等器具大力敲擊，以有效保護原結構。隨后將剩余鋼梁外露部分采用水泥砂漿抹平，確保鋼結構不外露。

3.3 超大層高整體提升爬架附著技術

由于樓層較高，爬架無可靠附著，為此在爬架爬升過程中考慮將架體附著在臨時加固鋼梁上。該鋼梁在計算過程中已經考慮爬架附著點處集中荷載，附著件采用槽鋼抱箍形式與加固鋼梁進行連接。

槽鋼抱箍件為可拆卸式，由左右2塊夾板及對拉螺桿、螺帽組成，夾板由若干段8#槽鋼焊接而成，對拉螺桿采用M28螺桿，使用時先將左右夾板與上部螺桿連成整體，穿入鋼梁后將下部螺桿固定牢固，再將槽鋼抱箍件與爬架附著件通過高強螺栓連接。槽鋼抱箍件構造及后期爬架附著如圖7、圖8所示。

圖7 槽鋼抱箍件構造

圖8 超大層高爬架附著

4 結語

綜合考慮施工的便捷性、爬架附著點以及經濟性，分別在超大層高處SRC柱鋼骨上增設2道環向H形臨時加固鋼梁，對SRC柱鋼骨弱軸方向進行加固，有效地減小了受壓計算長度，增加了鋼骨的側向約束，確保了超大層高混凝土結構及以上樓層外框鋼結構安全，加快了塔樓的施工速度。