超高層建筑伸臂桁架層結構的施工關鍵點分析與對策

張書劍

(福建省五建建設集團有限公司 福建廈門 362000)

0 引言

目前，高層、超高層建筑是我國的一大發展趨勢。設置于其中的伸臂桁架層，具有增大外框架的抗傾覆力矩，增大結構抗側剛度，減小側移等作用，伸臂桁架層的施工質量直接影響結構整體質量與安全。該項目通過采用BIM技術優化鋼構件及鋼筋安裝方式，使各工序間穿插無碰撞，安裝快捷，有效縮短工期，且完成質量最優。

1 工程施工難點

課題研究的結構位于該項目的34層及45層，層高5.5 m，樓層高度分別為142.7 m、190.5 m。縱向鋼筋最大直徑為HRB400 40，鋼構件最大鋼材厚度達100 mm，其中牛腿單構件最大重量達26 t。生產、吊裝、安裝、鋼筋穿插安裝難度較大。

1.1 模型優化

使用Tekla軟件，對伸臂桁架層進行建模，如圖1所示。對核心筒內墻體鋼筋與鋼構件交叉施工難題，采取鋼梁側焊接水平鋼板取代箍筋及H鋼梁翼板間設置豎向連接板的方式，解決了鋼筋與鋼構干涉且空間過小，無法施工的難題，如圖2所示。

圖1 伸臂桁架模型圖

圖2 鋼結構節點優化示意圖

通過鋼結構小組優化，型鋼柱及梁每隔400 mm設立端板拉鉤，對應放置直徑25 mm縱向或橫向構造鋼筋于拉鉤端板焊接，大環形箍筋一分為二或一分為四，降低箍筋重量，同時方便現場施工，如圖3所示。相對傳統鋼結構廠自行深化以及生產模式，公司鋼結構深化團隊更能充分考慮現場施工便利性、施工周期以及塔吊選型等方面，可大大提高現場鋼結構施工質量，節約成本及縮短工期。

圖3 箍筋優化示意圖

1.2 伸臂桁架吊裝總體思路

現場布置有兩臺塔吊，伸臂桁架采用塔吊高空散裝，如圖4所示。

圖4 現場塔吊布置圖

先安裝核心筒內桁架，核心筒內桁架安裝完成后，移交土建進行混凝土澆筑及爬模施工。等桁架牛腿外露后，開始安裝核心筒外伸臂桁架,如圖5所示。

圖5 桁架分段安裝示意圖

伸臂桁架采取“先安裝鋼柱，再安裝下弦桿。其次安裝豎腹桿及斜腹桿，再次安裝上弦桿，最后焊接。按由下及上，先局部后整體”的安裝思路，焊接前使核心筒內桁架逐步形成穩定體系。

鋼柱GGZ2及GGZ4重量較大且距離塔吊較遠，超出塔吊吊裝工況。經綜合考慮，將牛腿拆分，高空散裝，牛腿拆分及節點示意如圖6所示。

圖6 牛腿拆分及節點示意圖

2 施工關鍵點分析及對策

(1)加工質量要求高。伸臂桁架部分焊接質量較高，工廠焊縫均要求為一級全熔透焊縫。鋼柱牛腿較多，節點較復雜，加工組裝精度要求較高。部分節點工廠需提前考慮組裝焊接順序，提高焊接質量，較少焊接收縮變形。

對策：工廠應選擇合理加工工藝，選擇優秀焊工及鉚工加工。

(2)34～35層部分伸臂桁架重量較大，但塔吊起重能力有限。

對策：距離塔吊較遠位置的核心筒轉角異型柱牛腿需散發現場焊接，圓管柱帶伸臂桁架斜牛腿段需要增加分段，加大了現場工作量，也增加了現場焊接難度。

(3)現場安裝精度要求較高。焊接收縮對構件的位形產生影響，同時坡口的間隙要保證，對安裝精度要求高。由于構件板厚較厚，如安裝產生誤差將難以調節。

對策：帶伸臂桁架牛腿鋼柱施工前，其下一節鋼柱需保證柱頂測量精度；鋼柱安裝前，核心筒混凝土需澆筑至伸臂桁架下一層，保證下節柱懸臂端穩定；制定合理焊接順序，較少焊接變形；制定合理測量方案。

(4)焊接工作量大、焊接難度較大：圓管柱材質均為Q345GJC，34～35層圓管柱規格為D1200×60，45～46層圓管柱規格為D1100×50。其中伸臂桁架為Q420GJC材質，板厚分別為50 mm、70 mm、100 mm，焊接難度較大。

對策：設置焊接操作平臺，做好防風防雨措施，為現場焊接創造適合的施焊空間與環境，保證焊接質量，避免返工；制定詳細焊接工藝方案，按照要求進行焊接工藝評定，以指導現場焊接；對焊接工人進行嚴格培訓、考核，考核合格才能上崗；請公司焊接專家到現場指導焊接。

(5)伸臂桁架位于核心筒外部分連接節點，需等主體鋼結構施工完成后才能焊接。為保證焊接質量，34～35層及45～46層伸臂桁架后續焊接位置桁架板需最后施工。

對策：桁架板圖紙排版過程中，應將后續焊接節點位置單獨排版，焊接節點位置采用單跨板，以便樓承板后續挪動及混凝土樓板施工縫的預留。

3 工藝流程及關鍵技術

3.1 焊接工藝參數

根據母材材質、結構形式，現場焊接主要采用藥芯焊絲二氧化碳氣體保護焊(FCAW-G)。伸臂桁架焊接質量要求均為一級，全熔透焊接，100%超聲波檢測。

3.1.1 焊接順序

(1)定位焊。正式焊接前先定位焊，焊縫厚度不應小于3 mm，長度不應小于40 mm，間距宜為300 mm～600 mm。采用鋼襯墊的焊接接頭，定位焊宜在焊接坡口內進行；定位焊焊接時，預熱溫度宜高于正式施焊預熱溫度20℃～50℃，宜為150℃左右。

(2)定位焊完成后，先焊接腹板，腹板焊接前預熱溫度至80℃。

(3)腹板焊接完成后，焊接翼緣板，翼緣板焊接前預熱至120℃～150℃。為減小焊接變形，翼緣板焊接采用兩人對稱焊接。

3.1.2 焊接工藝具體參數

(1)腹板橫焊，預熱溫度80℃，層間溫度120℃～200℃。

(2)翼緣板橫焊，預熱溫度120℃～150℃，層間溫度120℃～200℃。

3.2 伸臂桁架施工工藝

該項目伸臂桁架采用塔吊吊裝，高空散裝施工思路。先安裝核心筒部分桁架，核心筒混凝土澆筑完成，爬模爬升后，安裝核心筒外側桁架。

3.3 構件穩定、結構體系穩定的方法和措施

(1)核心筒鋼柱穩定方法和措施

由于核心筒鋼柱重量較大，最大可達21 t。為保證鋼柱校正過程穩定，伸臂桁架鋼柱安裝前，核心筒混凝土需澆筑至33層，如圖7所示。

圖7 核心筒混凝土33層樓板澆筑完成后開始吊裝鋼柱

鋼柱利用柱端連接耳板和連接板臨時固定，校正完成后，鋼柱及時焊接。由于鋼柱重量較大，重心較高，為保證鋼柱穩定，鋼柱校正過程中，塔吊全程不松鉤，防止鋼柱校正過程中傾倒，如圖8所示。

圖8 核心筒鋼柱連接示意圖

(2)核心筒內桁架下弦桿及上弦桿穩定方法和措施

水平弦桿通過連接板臨時固定，節點如圖9所示。

圖9 核心筒內上下弦桿臨時固定措施

(3)腹桿穩定方法和措施

腹桿上下兩端設置耳板，兼做吊耳，使用連接板連接固定，如圖10所示。

圖10 核心筒鋼柱固定措施

(4)現場散裝牛腿

位于核心筒轉角鋼柱重量超出塔吊起重能力。為保證吊裝安全，將牛腿工廠加工成散件，現場安裝焊接[1]。

牛腿下方設置兩塊耳板與鋼柱通過螺栓連接。鋼柱底部使用規格H400×400×13×21熱軋型鋼做支撐胎架，胎架與下方牛腿焊接固定，上方為自由端。胎架位于牛腿重心正下方，牛腿固定如圖11所示。由于牛腿產生較大偏心，可能影響鋼柱定位，牛腿安裝前應將核心筒內桁架焊接完成。

圖11 牛腿臨時支撐示意圖

(5)核心筒外伸臂桁架下弦桿固定措施[2]

由于核心筒外下弦桿超出塔吊起重能力，需分為兩段，高空組拼。采取在下方34層鋼梁上，設置規格為H400×400×13×21熱軋型鋼做臨時支撐胎架。弦桿吊裝到位后，通過端頭螺栓與圓管柱連接固定。然后安裝下弦桿短節，下弦桿短節兩端使用高強螺栓與鋼柱牛腿及弦桿長段連接，如圖12所示。下弦桿安裝完成后高強螺栓終擰。

圖12 鋼梁臨時支撐示意圖

3.4 伸臂桁架焊接

3.4.1 伸臂桁架上下水平弦桿焊接

(1)節點形式:上下弦桿為H型構件，翼緣板厚度100 mm，腹板厚度50 mm，翼緣板對接焊縫為立焊焊縫，腹板為橫焊焊縫，節點如圖13所示。

圖13 伸臂桁架上下弦桿焊接節點

(2)焊接位置：立焊、橫焊;

(3)焊接方法：FCAW-G;

(4)預熱:采用火焰預熱，預熱溫度為80℃～120℃，層間溫度120℃～200℃。預熱區及后熱區在焊道兩側，每側寬度均應大于焊件厚度的2倍，且不應小于100 mm。

3.4.2 伸臂桁架斜腹桿焊接

伸臂桁架斜腹桿為H型或箱型構件，立面布置如圖14所示，翼緣板厚度100 mm，腹板厚度50 mm。翼緣板對接焊縫為立焊焊縫，腹板為橫焊焊縫，節點如圖15～圖16所示。

圖14 伸臂桁架立面布置圖

圖15 伸臂桁架箱型斜腹桿連接節點

圖16 伸臂桁架H型斜腹桿連接節點

(1)焊接位置：橫焊、立焊;

(2)焊接方法：FCAW-G;

(3)預熱:采用火焰預熱，預熱溫度為80℃～120℃，層間溫度120℃～200℃，預熱區及后熱區在焊道兩側，每側寬度均應大于焊件厚度的2倍，且不應小于100 mm。

3.4.3 伸臂桁架異型柱焊接

伸臂桁架異型柱位于核心筒4個轉角位置，由4塊100 mm厚鋼板組拼成。每層帶4個牛腿，其中2個與斜腹桿連接牛腿現場焊接。異型柱牛腿拆分圖、軸側圖、異型柱截面圖如圖17～圖18所示。

(a)異型柱牛腿拆分圖(b)異型柱三維軸側圖(c)異型柱截面斷面圖圖17 異形柱牛腿拆分示意圖

(a)牛腿現場焊接節點圖 (b)異型柱上下段對接節點圖18 牛腿現場焊接示意圖

3.4.4 帶伸臂桁架牛腿圓管柱焊接

圓管柱帶伸臂桁架斜牛腿段由于塔吊起重能力有限，分段位置位于牛腿上下各120 mm位置。焊接位置有鋼柱牛腿阻擋，焊接難度較大。帶斜牛腿圓管柱采用L50×5角鋼與鋼柱焊接作為臨時操作平臺支撐，如圖19所示，節點如圖20所示。

圖19 帶斜牛腿圓管柱臨時操作平臺

圖20 圓管柱對接節點及坡口示意圖

(1)焊接位置:橫焊;

(2)焊接方法:SMAW、GMAW;

(3)預熱:預熱溫度為60℃～80℃，層間溫度120℃～200℃，預熱區在焊道兩側，每側寬度均應大于焊件厚度的2倍，且不應小于100 mm。

(4)焊接順序(圖21)

圖21 圓管柱焊接順序示意圖

①將圓管柱沿耳板分為4個區域分別編號①～④，先由兩名焊工在①、③兩側對稱焊至板厚的1/3處時，切去耳板A、C。

②然后在②、④側仍由兩名焊工對稱焊至板厚的1/3處，切去耳板B、D。

③再由兩名焊工分別承擔各自的半圓面的焊接。如此反復進行直至完成多層多道焊接。

④每兩層之間焊道的接頭應相互錯開30 mm～50 mm，兩名焊工焊接的焊道接頭也要注意每層錯開。每道焊完要清除焊渣和飛濺，如有焊瘤要鏟磨掉，焊接過程中要注意檢測層間溫度[3]。

3.4.5 墻柱剪力墻鋼筋“逆做法”施工

核心筒剪力墻鋼筋采用先安裝箍筋再接豎向墻筋的“逆做法”。墻筋“逆做法”應在每一道箍筋安裝時，控制好后安縱筋的位置保持鉛直，且每段墻應設有不少于4根的臨時固定豎筋，以定位和保證墻箍筋框架的穩定，待核心筒外爬模爬升高度足夠人員操作時，安裝縱筋，并確保套筒的扭力矩滿足規范要求。

4 結語

本工藝通過BIM技術的使用，對鋼構件與大規格鋼筋的聯結穿插進行優化的方式，解決了一般伸臂桁架層施工時間較長、施工難度大、工期較長、人工成本偏高、質量控制不到位等問題。同時配合工序調整，實現設備與人工效率的提升，具有施工便捷，成本降低，質量可靠等優點，特別適用于高層、超高層勁性結構等設置，有伸臂桁架層的建筑，推廣應用前景廣闊。