高層鋼框架-混凝土核心筒結構同步等高攀升施工技術

陳 鐘，胡文學，楊 歡，陳建良，劉 博，徐寶全，穆 霖

(中國建筑第五工程局有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

目前，建筑領域高層結構常采用鋼框架-混凝土核心筒結構。傳統施工多采用爬模或爬架先行核心筒，外框鋼結構落后于核心筒5～6層的同步不等高施工工藝；鋼框架與混凝土核心筒同步等高攀升施工則較少見。深圳市深圳技術大學大數據與互聯網學院主體結構結合工程結構設計特點，采用鋼框架與混凝土核心筒同步等高攀升施工工藝，達到縮短工期、提升質量、安全可靠、降低成本的目的。

1 高層鋼框架-混凝土核心筒同步等高攀升施工工藝

目前國內在建的高層鋼框架-混凝土核心筒結構均采用核心筒先行，外框鋼柱、鋼梁、組合樓板(或鋼筋桁架樓承板)后施工的不等高同步攀升施工工藝。通過理論和實踐研究可知，主體結構高度<100m 時，塔樓主體結構施工完成至地下室頂板后，在核心筒周圍設置支撐體系，作為核心筒未施工時的鋼梁受力點，將外框鋼結構獨立成全鋼結構形式，實現外圍鋼框架與核心筒同步施工，外圍樓板與核心筒墻柱同步澆筑。相較于前者，該工藝有以下優勢：①減少核心筒爬升式腳手架安裝和拆卸的等待時間，大大縮短結構施工工期；②外圍水平結構與核心筒整體現澆，避免留設施工冷縫，能更好控制外框與核心筒交界面混凝土的施工質量，保證鋼框架與混凝土核心筒的協調作用；③避免交界面板筋預留帶來的后續樓承板施工不便；④可消除核心筒先行、垂直交叉施工時上方混凝土鑿毛墜物等對外圍鋼結構施工的影響；⑤避免核心筒混凝土澆筑、養護水下流等污染下方已安裝完成的鋼結構構件表面，提升成品保護質量及安全文明形象；⑥核心筒無須采用爬升式腳手架，可避免爬架施工的安全風險，且可降低施工成本；⑦采用可周轉、安拆方便的臨時支撐，材料回收率高。

塔樓主體結構主要施工工序為：鋼結構安裝→構件焊接→高強螺栓安裝→防腐漆補涂→樓承板安裝→鋼筋綁扎→模板安裝→混凝土澆筑。為更好地組織各工序有序穿插施工，充分利用作業面，將上述工序合為3道：①鋼柱、鋼梁安裝及焊接；②樓承板鋪設；③鋼筋綁扎、支模及混凝土澆筑。每道工序施工時間均為3d，從而形成等節拍流水施工。從首層鋼柱、鋼梁安裝開始，到結構施工至6層時首層臨時支撐拆除，進行周轉使用為止。6層以上樓層施工順序按此循環進行。

為更好地形成流水作業，避免窩工及縮短技術停歇，擬將塔樓平面總體分為東、西2個分區(見圖1)。先施工東區，后施工西區，各工種的施工順序為：nF東區→nF西區→(n+1)F東區→(n+1)F西區→…。

圖1 塔樓平面施工分區

2 關鍵技術

2.1 設計臨時支撐體系

在核心筒結構未施工并達到強度前，為外框鋼結構的安裝提供受力支撐，與外框鋼結構形成穩定體系，將施工荷載傳遞到已施工結構上，是實現核心筒結構與外框鋼結構同步攀升施工的核心。

1)設置成品箱形鋼柱

核心筒四周存在主梁連接核心筒的跨度>2.5m，且需承受上部組合樓板自重及施工荷載，靠核心筒一端各向均無約束時，其上部荷載較大，需在靠近核心筒一端設置承載力較大的箱形鋼柱，作為臨時支撐；為保證靠核心筒一端不發生傾覆，需在臨時支撐箱形鋼柱上端設置連系梁，與外框鋼柱結構連接，形成穩定體系。

支撐柱、連系梁平面布置及立面如圖2，3所示，核心筒北側8根輻射梁跨度11.4m，靠核心筒一端各向均無約束，根據承載力需要，選取箱形支撐柱截面為□200×10，材質Q235B。為加強施工階段臨時結構的穩定性，在各柱頂部設置水平連系梁，連系梁截面采用熱軋H型鋼H300×150×6.5×9，材質Q235B。

圖2 支撐柱、連系梁平面布置

圖3 支撐柱、連系梁立面

2)設置鋼管格構柱

核心筒四周存在主梁連接核心筒的跨度<2.5m，其上鋪設的樓承板與鋼梁平行或接近平行時，施工過程中組合樓板自重及板面施工荷載少部分傳遞到主梁上，主梁僅承受自重及少量施工荷載，因此選用承載力較小、成本較低、搭設便捷的鋼管格構柱，如圖4所示。根據需求，格構柱采用φ48.3×3.0鋼管搭設，平面尺寸為600mm×600mm，橫桿間距1 000mm，4個面設置斜撐，頂部支撐鋼梁位置頂托內設置Q235B雙鋼管。

圖4 鋼管格構柱

經計算，支撐樓層混凝土強度達到100%后，拆除該層臨時支撐，周轉用于上部樓層。

須根據結構特點、支撐部位、初步估算的施工荷載進行臨時支撐體系選型，并考慮臨時支撐體系在施工過程中的抗傾覆能力。

2.2 完善臨時支撐體系連接節點

為保證臨時支撐體系和外框鋼結構有效連接，對連接節點進行優化，以便臨時支撐安裝和拆卸，達到快速建造的效果。

1)設置支撐柱柱腳節點

設置在有臨時箱形支撐柱部位的底部鋼梁，焊接于主梁上表面，用與箱形支撐柱壁厚同厚的鋼板制作鋼板埋件，埋件高度同外框結構樓板厚度。臨時箱形支撐柱與埋件板焊接連接，使用氣刨拆除，刨除焊縫后，重復利用臨時支撐柱。臨時支撐柱截面為□200×200×10，則柱腳節點埋件板厚10mm，外圍樓板厚120mm，則柱腳節點埋件高120mm。柱腳節點如圖5所示。

圖5 柱腳節點

2)設置支撐柱頂部與鋼梁連接節點

在臨時箱形支撐柱上部鋼梁設置連接節點(見圖6)，設置兩個槽型加勁肋，采用厚度與箱形支撐柱壁厚相同的鋼板制作，焊接于鋼梁上、下翼緣，起到加強主梁抗剪和抗彎能力的作用，避免主梁承載過大而發生端部翹起變形。

圖6 支撐柱與鋼梁連接節點

3)設置連系梁連接節點

在臨時箱形支撐柱柱頂以下150mm處設置連系梁連接節點，即在臨時箱形支撐柱兩側，提前焊接連接板，連接板厚度通常為連系梁腹板板厚的2倍，連接板上根據受力需設置高強螺栓孔數量，以便連系梁提供螺栓與臨時支撐柱連接，使臨時支撐柱形成整體，加強臨時支撐體系的側向穩定性。同時，螺栓連接的節點便于連續梁及箱形支撐柱的安裝和拆除，使得臨時支撐柱與連系梁能實現重復利用和快速周轉。節點如圖7所示。

圖7 連系梁連接節點

結合臨時支撐體系特點，完善其連接節點，在需傳遞彎矩部位使用剛接節點，如通過埋件將構件焊接；在無須傳遞彎矩部位，盡可能使用鉸接節點，僅通過螺栓連接，方便支撐體系安拆，實現快速建造。

2.3 復核驗算臨時支撐體系

對臨時支撐體系進行受力驗算，為判斷其可行性與安全性提供依據。

1)應力驗算

利用有限元軟件MIDAS建立計算模型，由于核心筒頂部2層未施工或澆筑時間較短，未達到強度，須按無約束考慮，體系須選擇4～5層支撐同步驗算。應力驗算結果如圖8所示，根據應力結果對比構件材質和屈服強度，看驗算是否能滿足最低承載力要求。

圖8 應力驗算結果

2)變形量與穩定性驗算

根據主體外框結構與臨時支撐體系變形位置和變形大小，判斷結構體系是否穩定，是否需采取措施進行側向剛度加強。

主體外框結構與臨時支撐體系變形如圖9所示。主結構變形主要為端部起翹，支撐體系主要是側向穩定性變形。通過頂部連系梁加強側向剛度，保持支撐體系穩定，連續梁需與主結構立柱間主梁相連。

圖9 主體外框結構與臨時支撐體系變形

3 施工保證措施

3.1 質量控制措施

1)采購材料須經監理及建設單位確認，所有本工程使用材料的采購合同均須報監理工程師備案，監理工程師對采購材料有監督權與否決權，施工單位應為構件建立加工和施工檔案，確保從原材料到構件安裝完成各工序的可追溯性。

2)對所有進場材料采取出入登記制度，進場均應有材料合格證明，經驗收合格的材料應整齊堆放在指定地點，且掛牌標識，杜絕不合格材料混入場內使用，不合格材料應封存標識，禁止使用。

3)現場設有各級專職質量檢驗員，對施工中每道工序按有關規范要求進行自檢，符合要求后，填寫工程檢驗報告單，向監理工程師申請檢驗，經監理工程師簽認合格后，方可進行下道工序作業。

4)記錄鋼結構安裝節點。記錄中應記載當班安裝、焊接操作工作及質量監控人員姓名，節點質量檢驗數據，并對檢驗結果給予簽字確認。

5)檢驗中發現缺陷應及時修正，并報監理工程師檢驗認可簽字后，方可進行下一步安裝。

3.2 安全管理措施

1)配備現場安全主任、專職安全員，建立完善的自檢制度，做好自檢記錄，接受發包方、監理和主管部門的檢查監督，確保工程質量與施工安全。

2)加強對施工作業人員的技術、安全培訓和交底，增強其安全防范意識和自我保護意識，確保結構和施工人員安全。

3)氧氣瓶、乙炔氣瓶應設有防震膠圈，旋緊安全鋼罩，分別放置在各自倉庫，應在遮陽棚下使用，嚴禁使氣瓶暴曬在烈日下。

4)做好高處作業安全防護措施，作業人員須佩戴安全帶，生命線、施工通道、安全平網封閉等必須完善，有操作平臺，有上下梯子或其他形式通道。

3.3 環保措施

1)成立施工環境、衛生、消防管理機構，在施工過程中嚴格遵循國家法律、法規和規章，注重“綠色施工”理念，做好節能、節材、節水、節地和環境保護相關措施。

2)晚間焊接作業須采取遮光措施，減少施工光污染。動火前須開用火證，嚴格用火制度。

3)混凝土澆筑施工應盡量在白天進行，如不得不進行夜間施工時，應做好相關報備手續。

4)運輸、施工所用車輛及機械廢氣等均應符合環保要求。施工區域與非施工區域間設置標準的分隔設施，做到連續、穩固、整潔、美觀。

4 同步等高施工效益分析

4.1 經濟效益

采用傳統施工工藝，主體施工工期為140d，而采用本工法施工工期為108d，縮短工期32d。現場鋼結構施工共需40人，費用為300元/人/工日，土建施工共需30人。現場ZSC600型塔式起重機1臺，費用為150 000元/月，平均5 000元/d。降低成本計算為：節約人工費=300元/人/工日×70人×32d=672 000元；節約機械費=5 000元/d×32d=160 000元；取消爬架，降低成本3 000 000元。

外圍鋼結構與核心筒同時施工增加臨時支撐，臨時支撐箱形柱及連系梁共計21t，材料及安拆單價合計7 000元/t；臨時支撐架體共計3 000m2，安拆單價86元/m2。增加費用為：箱形柱及連系梁費用=7 000 元/t×21t=147 000元，臨時支撐架體費用=3 000m2×86元/m2=258 000元。

合計降低成本=3 000 000-147 000-258 000=259.5(萬元)。

4.2 社會效益

高層鋼框架-混凝土核心筒結構同步等高攀升施工技術，從施工組織、技術攻關、施工控制、過程監測等多方面形成一個完整的施工技術體系，促進施工企業技術水平提高，提高企業競爭實力，為類似工程設計與施工提供先進的思路和方法，有較好的推廣應用前景。

5 結語

高層鋼框架-混凝土核心筒結構同步等高攀升施工，需合理組織施工工序，設計可靠的臨時支撐體系，以保證結構安全、施工質量和安全，提高施工工效，加快施工進度，縮短工期。

高層鋼框架-混凝土核心筒結構同步等高攀升施工技術，省去大型爬升式腳手架，采用可周轉臨時支撐措施，最大限度節約材料，實現施工工效提升，在施工過程中注重“綠色施工”理念，取得較好的節能和環保效益，對今后類似結構工程的施工具有一定指導意義。