大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與施工要點(diǎn)分析

鄺敦俠 王淳偉 李家東

1 大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架結(jié)構(gòu)概述

大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架結(jié)構(gòu)常用于高層建筑或大型場(chǎng)所，其中以高鐵站、火車站等公共場(chǎng)所最為常見。不同于傳統(tǒng)的直柱鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)外部框架鋼柱為正交菱形網(wǎng)格柱，采用鋼梁將其與樓面連接在核心筒上。斜撐柱與常規(guī)的豎直柱相比，在構(gòu)造和承載能力方面都存在較大的差異。豎直柱的變形與應(yīng)力集中在一個(gè)平面上，柱與柱之間沒有相交點(diǎn)。對(duì)于大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱來說，網(wǎng)格柱的直徑大、鋼構(gòu)件重且數(shù)量多，施工時(shí)難以定位。尤其是鋼斜柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，夾角和縫隙使得連接處受力點(diǎn)較多，受力方向不確定，給焊接加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝施工帶來了很大的困難[1]。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)要點(diǎn)分析較少，通過本次研究希望能夠提升相關(guān)工程設(shè)計(jì)水平及施工質(zhì)量[2]。

本文以201 m 斜交型鋼框架―混凝土核心筒體系為研究對(duì)象，通過數(shù)值仿真深入研究該體系的變形協(xié)調(diào)特性，采用與土建施工密切配合的方法以及交叉施工的方式，為復(fù)雜的工程環(huán)境開拓出一條符合實(shí)際需求的環(huán)狀工程路徑。

2 施工過程仿真分析

2.1 施工模擬方法

考慮到該工程全過程的施工周期較長(zhǎng)，其各部分的剛度并非恒定不變，因此本項(xiàng)目將采用定時(shí)法進(jìn)行計(jì)算，利用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上通過連續(xù)累計(jì)的方式模擬計(jì)算超高層建筑。

本文采用MIDAS/Gen 有限元程序?qū)σ蛔邔咏ㄖ慕ㄔ爝M(jìn)行了全過程模擬[3]。以大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架結(jié)構(gòu)為模擬對(duì)象，主要使用單元為外框鋼斜柱、鋼骨混凝土巨型柱和核心筒剪力墻。考慮到樓面鋼桁架在剪力墻和斜截面上均采用了鉸鏈形式，因此樓面鋼桁架的剛度對(duì)斜截面以及其垂直位移沒有任何影。圖1所示為大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架結(jié)構(gòu)。

圖1 大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架結(jié)構(gòu)（來源：網(wǎng)絡(luò)）

本項(xiàng)目通過采用生死單元法一次成型整體結(jié)構(gòu)，能夠更加準(zhǔn)確地模擬時(shí)變結(jié)構(gòu)效應(yīng)。基于多個(gè)單元的分段啟動(dòng)和拼裝，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的全局控制和精細(xì)調(diào)節(jié)，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。在無風(fēng)、無震等情況下進(jìn)行有限元計(jì)算，也能夠更加客觀地評(píng)估結(jié)構(gòu)的受力情況和變形情況，為工程實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 材料分析模型

大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架結(jié)構(gòu)的主體為鋼斜柱，因此有必要模擬分析鋼斜柱的應(yīng)變力。在施工階段，材料的形變并無規(guī)律性，為了方便分析，假定鋼斜柱發(fā)生理想彈塑性變形，其本構(gòu)關(guān)系可以采用簡(jiǎn)單的雙折線模型。雙折線模型是一種常用的描述鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的模型，在鋼斜柱的設(shè)計(jì)中可以采用該模型模擬分析其應(yīng)變力。

具體而言，可將雙折線模型分為3 個(gè)階段分析應(yīng)力：第1，當(dāng)應(yīng)變小于屈服應(yīng)變時(shí)，鋼斜柱處于彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈正比例關(guān)系。第2，當(dāng)應(yīng)變大于屈服應(yīng)變小于極限應(yīng)變時(shí)，鋼斜柱處于屈服階段，此時(shí)應(yīng)變開始產(chǎn)生非比例變化，應(yīng)力處于斜率為k1的上升趨勢(shì)，直至達(dá)到極限強(qiáng)度。第3，當(dāng)應(yīng)變大于極限應(yīng)變時(shí)，鋼斜柱處于塑性階段，應(yīng)力保持不變，但應(yīng)變繼續(xù)增加。此時(shí)，應(yīng)變處于斜率為k2的上升趨勢(shì)，直至結(jié)構(gòu)破壞。根據(jù)上述模型，可以得到鋼斜柱在不同應(yīng)變下的應(yīng)力，以便進(jìn)一步分析其承載能力和破壞機(jī)理。

3 豎向變形模擬分析結(jié)果

3.1 大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱的豎向形變

隨著工程進(jìn)度及各層恒載的累積，外框架斜支柱與內(nèi)襯均表現(xiàn)出類似的變形趨勢(shì)，且垂直位移均隨工程進(jìn)度逐漸增大。同一層斜支柱角點(diǎn)及中點(diǎn)處的垂直位移與混凝土內(nèi)襯各部分的垂直位移雖然有差別，但是平均在3 mm 以內(nèi)，因此均以該層最大垂直位移為研究目標(biāo)。當(dāng)不計(jì)鋼筋混凝土芯柱的施工找平，也不計(jì)斜柱的安裝工藝控制時(shí)，隨著建筑層數(shù)的增加，斜柱與核心筒的垂直變形也隨之變大。在結(jié)構(gòu)的中部高度位置，其變形增長(zhǎng)速率最快，而在結(jié)構(gòu)的頂端和尾端則相對(duì)緩慢，并且鋼斜柱的變形幅度要大于核心筒。

3.2 核心筒與交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架的豎向變形差

因?yàn)榻徊婢W(wǎng)格鋼斜柱框架與核心筒在結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)、材料類別及屬性等方面都存在一定差異，所以二者之間必然會(huì)產(chǎn)生豎向變形差。在未考慮結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié)的情況下，每一層的混凝土芯柱和外框傾斜支柱在結(jié)構(gòu)中的垂直位移均有一定的差別，可以用外框傾斜支柱的變形減去芯柱的變形量來計(jì)算。可以看出，在沒有補(bǔ)償核心筒施工找平和斜柱安裝加工控制值的情況下，外框架斜柱與核心筒施工完成時(shí)的豎向變形差總體上有所增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速率呈現(xiàn)出先慢后快再慢的規(guī)律。核心筒和外部框架的垂直變形最大值為17.34 mm，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂層。

3.3 豎向變形控制方法

高層建筑的建造過程中，外框架鋼斜柱和核心筒的變形是普遍存在的問題。這些變形會(huì)增加結(jié)構(gòu)內(nèi)部的附加內(nèi)力，從而對(duì)建筑的安全性產(chǎn)生不利影響。因此，必須采取嚴(yán)格的控制措施，以確保高層建筑的施工質(zhì)量和安全性，同時(shí)提高建筑的可靠性和持久性。為了有效控制外框架鋼斜柱和核心筒的變形，可以采取分開控制的方式。在施工過程中，應(yīng)分別控制這2 個(gè)部分，并制定相應(yīng)的控制措施，使其變形能夠相互協(xié)調(diào)。其中，對(duì)外框架鋼斜柱進(jìn)行水平方向的限位控制、對(duì)核心筒進(jìn)行垂直方向的限制和支撐等方法被廣泛使用。

總之，在高層建筑的施工過程中，控制外框架鋼斜柱和核心筒的變形是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工作。

3.3.1 框架斜柱的豎向變形控制方法

工程實(shí)踐中，外框鋼斜柱按層數(shù)分開設(shè)置，因斜面網(wǎng)格疏密程度不一，在網(wǎng)格稀薄的地方可能出現(xiàn)2 個(gè)斜柱頂部不相交的現(xiàn)象，此時(shí)在垂直受力的作用下，斜柱將會(huì)產(chǎn)生很大的橫向力，這種橫向力會(huì)影響2 個(gè)水平梁，因此需要對(duì)2 個(gè)橫向梁進(jìn)行加固。同時(shí)，需要考慮樓面對(duì)于2 個(gè)橫向梁軸向剛度的增強(qiáng)作用，由此可假定2 個(gè)橫向梁軸向剛度無窮大，且不會(huì)出現(xiàn)軸向變形。因此，可以采用三角網(wǎng)格法進(jìn)行計(jì)算。

從理論上來看，三角網(wǎng)格斜柱頂板設(shè)置好后，在上部荷載的影響下會(huì)出現(xiàn)軸向受壓，然后會(huì)圍繞支座轉(zhuǎn)動(dòng)，最終達(dá)到設(shè)計(jì)的平衡狀態(tài)。通過建立數(shù)學(xué)模型可以得到斜立柱的垂直變形量，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)中的結(jié)構(gòu)微形變?cè)恚玫叫绷⒅募庸た刂蒲a(bǔ)償量，即：

式中：ΔX、ΔZ分別為斜立柱在X和Z方向的加工控制補(bǔ)償量，可由模型計(jì)算得出；θ鋼斜柱與地面的傾斜角。

在高層建筑的建造中，為了控制外框架鋼斜柱的變形，采用了安裝加工控制值法。這種方法可以較為精細(xì)地控制斜柱的豎向變形，從而提高施工精度和建筑安全性。安裝加工控制值法的基本原理是利用逐層補(bǔ)償變形的方式來控制斜柱的變形。通過計(jì)算所需的加工控制補(bǔ)償值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斜柱豎向變形的有效控制。

具體計(jì)算式為：

式中：X、Y分別為外框鋼斜柱實(shí)際加工長(zhǎng)度和設(shè)計(jì)長(zhǎng)度[4]。

此外，由于外框鋼斜柱的網(wǎng)格形式都能等效為等腰三角形，在斜柱安裝定位時(shí)應(yīng)以其柱頂標(biāo)高作為主要的施工控制點(diǎn)，并將傾斜度控制作為輔助措施。

3.3.2 核心筒變形的控制方法

針對(duì)不同類型的高層建筑和核心筒結(jié)構(gòu)，需要采取相應(yīng)的變形控制措施。例如，對(duì)于較高的建筑物，可能需要加強(qiáng)核心筒的預(yù)應(yīng)力控制；對(duì)于柔性核心筒結(jié)構(gòu)，可以采取增加約束點(diǎn)、調(diào)整支撐布局等方式來控制其變形。此外，高層建筑的使用環(huán)境和荷載條件也是影響核心筒變形的重要因素，因此在建筑設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理過程中需要充分考慮以上因素，并提出相應(yīng)的措施來控制核心筒變形。

控制高層建筑核心筒變形是保障建筑結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定的重要措施之一。由于影響核心筒變形的因素眾多，如施工現(xiàn)場(chǎng)的影響、材料性能等，因此需要采取多種措施來控制核心筒的變形。其中，加固支撐是增強(qiáng)核心筒剛度的重要方式，可以在核心筒底部增加支撐或加強(qiáng)承載結(jié)構(gòu)的剛度，從而減小變形量；約束措施是在核心筒表面添加約束層，如石膏板和碳纖維板等，在一定程度上控制變形；預(yù)應(yīng)力措施通過在核心筒表面施加預(yù)應(yīng)力使其內(nèi)力狀態(tài)更加均衡，減小變形；合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也能減小核心筒變形，如選擇較為堅(jiān)硬的基礎(chǔ)巖體或地基，避免在軟土地質(zhì)區(qū)域建設(shè)高層建筑等；構(gòu)造措施可以采用分段施工、大模數(shù)拼裝等措施來控制變形。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮多種措施，以確保有效控制核心筒變形。同時(shí)，施工中需要制訂詳細(xì)的施工方案，包括控制各種力的影響、選擇適合的材料和技術(shù)、對(duì)構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等，并監(jiān)測(cè)施工過程以便及時(shí)調(diào)整，這樣才能保證核心筒變形控制的有效性和建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

總之，控制高層建筑核心筒變形是建筑結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定的重要措施之一，在實(shí)際應(yīng)用中需要采取多種措施綜合考慮，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

4 斜交鋼管網(wǎng)格柱外筒鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 斜交鋼管網(wǎng)格斜柱

綜合訓(xùn)練中心的周邊為傾斜的鋼管網(wǎng)格柱子，上部和下部的鋼管柱通過傾斜的網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)相連。隨著樓層的增加，為了減少所需的鋼材量，降低施工成本，在高層建筑設(shè)計(jì)中通常會(huì)逐漸減小鋼管柱的厚度和管道直徑。在施工過程中，利用ZSC1000 型塔式起重機(jī)，以每一層為一節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)了最大起重189 kN 的吊裝。

利用自主開發(fā)的“電腦全站”數(shù)字檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行兩點(diǎn)吊頂?shù)氖┕ぃ⒖刂剖┕ぶ械奈恢谩Ｆ鹬厍埃诠艿廊肟谔幪崆百N上反射標(biāo)板。起重時(shí)，在地面設(shè)置多個(gè)全站儀，對(duì)標(biāo)板的3D坐標(biāo)進(jìn)行同步測(cè)量。將實(shí)測(cè)坐標(biāo)輸入計(jì)算機(jī)并與設(shè)計(jì)坐標(biāo)相比較，指導(dǎo)工人實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)傾斜柱位。需要注意，上部立柱的軸心投影必須與下層立柱的軸心投影一致。

4.2 斜交網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)

在高層建筑中，上部和下部的鋼管斜柱之間通常采用H 型鋼為主體的斜柱結(jié)構(gòu)。這種斜柱由2 根H 型鋼組成，通過連板進(jìn)行連接，形成一個(gè)穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。為了增加斜柱的承載能力，有時(shí)也會(huì)使用鋼管或其他材料進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)。

此外，在斜柱與水平鋼梁和豎直鋼柱連接的位置，通常采用焊接或螺栓緊固方式以保證其穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)可以有效提高建筑的抗震性能和承載能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。斜面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是外圓筒體結(jié)構(gòu)中的重要節(jié)點(diǎn)，具有大量的隱藏焊接和小角度貫穿焊接等。一方面，設(shè)計(jì)人員應(yīng)高度關(guān)注此節(jié)點(diǎn)的焊接質(zhì)量，要求全部達(dá)到一次完全熔透。另一方面，因?yàn)榻徊婧更c(diǎn)在焊接時(shí)不易放置墊片，所以難以保證焊點(diǎn)的根部質(zhì)量。

在深化設(shè)計(jì)時(shí)，要將這種節(jié)點(diǎn)列為主要的分析和研究對(duì)象，并根據(jù)類似的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)單位就小夾角相貫焊縫問題進(jìn)行多次討論。經(jīng)過大量的分析和計(jì)算工作，在工廠進(jìn)行反復(fù)的焊接實(shí)驗(yàn)和評(píng)估，給出一種可以確保節(jié)點(diǎn)焊縫可靠性的實(shí)施方案。在可接受的焊接范圍內(nèi)，工作人員可到結(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行焊接[5]。

對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的加工，采取的是“化整為零、分部加工、整體組裝”的制造工藝。先單獨(dú)組拼4 只斜牛腿和節(jié)點(diǎn)箱體，然后整體組裝組拼好的5 個(gè)單體，并按照規(guī)定進(jìn)行焊接，經(jīng)檢測(cè)合格后再將其送至工廠。

鋼筋混凝土柱斜交連接處的最大單件質(zhì)量為21.5 t，隨著樓層的升高，連接處的牛腿厚度和管道直徑逐漸變小，其中2層和3層連接處的質(zhì)量較大，超出了塔式起重機(jī)的承載能力，因此要用160 t 的汽車起重機(jī)吊裝。

5 結(jié)語(yǔ)

大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，有承載能力強(qiáng)、剛度好等特點(diǎn)，因此在高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。高層建筑的安全性對(duì)于人們的生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要，在建設(shè)過程中要采用科學(xué)的設(shè)計(jì)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕ぜ夹g(shù)，確保建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。這就需要不斷提升大角度斜交叉網(wǎng)格鋼斜柱框架結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，并在施工中不斷總結(jié)和完善工藝技術(shù)，為建設(shè)更加安全、可靠的高層建筑提供堅(jiān)實(shí)有力的支撐。