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鋼結(jié)構(gòu) | 315m超高層SRC巨型勁性柱、鋼板剪力墻施工技術(shù)

廣東建筑工業(yè)化展 2018-03-23 2804

概述

天津諾德金融大廈為濱海新區(qū)于家堡金融區(qū)第一地標(biāo)性建筑，總建筑面積21.8萬(wàn)㎡，建筑高度299.7m，塔樓地上64層。塔樓結(jié)構(gòu)采用雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系：巨型框架+鋼筋混凝土核芯筒，設(shè)置8根SRC巨柱，巨柱與核心筒之間設(shè)置伸臂桁架。巨柱最大截面3m×2m，伸臂桁架箱形構(gòu)件最大截面1m×1.5m。-4層到10層設(shè)置非加勁鋼板剪力墻，高度約65m，鋼板厚度20mm、40mm。

諾德金融大廈建筑效果圖

（a）整體結(jié)構(gòu) （b）混凝土核芯筒+伸臂桁架（c）巨型框架（d）次框架塔樓結(jié)構(gòu)示意圖

非加勁鋼板剪力墻施工技術(shù)

2.1 非加勁鋼板剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用Xsteel、AutoCAD、PKPM、3D3S、SAP2000等軟件進(jìn)行驗(yàn)算并設(shè)計(jì)詳細(xì)節(jié)點(diǎn)，將剪力墻內(nèi)型鋼柱與鋼板墻連為一個(gè)整體，將鋼板剪力墻合理分段，減少現(xiàn)場(chǎng)焊縫數(shù)量，確保鋼板墻強(qiáng)度。協(xié)調(diào)鋼板剪力墻和外部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變形，采用焊接式鋼筋連接器，增強(qiáng)鋼筋與鋼板剪力墻之間的錨固，杜絕核心筒墻體裂縫。

鋼板剪力墻布置圖

鋼板剪力墻鋼筋連接節(jié)點(diǎn)圖

2.2 非加勁鋼板剪力墻變形控制技術(shù)

在鋼板墻加工時(shí)沿水平方向每隔2.4m加設(shè)一道豎向加勁板，沿高度方向每層墻頂位置處加設(shè)一道水平加勁板以增加端部的平面外剛度。在鋼板剪力墻門洞位置處約束相對(duì)薄弱，易發(fā)生焊接變形，在鋼骨柱頂部?jī)蓚?cè)增設(shè)HW200×200×8×12的臨時(shí)鋼梁。

鋼板剪力墻焊接時(shí)焊接應(yīng)力影響區(qū)往往發(fā)生在焊縫兩側(cè)300mm的范圍內(nèi)，在300mm范圍以外焊接應(yīng)力隨距離的增加逐漸衰減，影響相對(duì)減小。沿焊縫方向每1m設(shè)置一道加強(qiáng)板PL30×200×600，減少焊接變形。

加強(qiáng)板設(shè)置圖

2.3 殘余應(yīng)力釋放施工技術(shù)

首次提出通過(guò)應(yīng)力釋放孔來(lái)消除殘余應(yīng)力的概念，即先對(duì)鋼板墻焊接進(jìn)行施工模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的變形情況找出焊接殘余應(yīng)力集中的位置。在應(yīng)力集中區(qū)域預(yù)先開設(shè)直徑100mm的應(yīng)力釋放孔，破壞孔周圍的應(yīng)力平衡，使應(yīng)力重新調(diào)整，緩解殘余應(yīng)力造成的變形。待應(yīng)力釋放完成后再對(duì)孔洞進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

殘余應(yīng)力釋放現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

鋼板剪力墻應(yīng)力釋放孔

2.4 雙面對(duì)稱K形坡口焊接技術(shù)

采用雙面對(duì)稱K形坡口反面清根焊接的對(duì)稱焊接工藝；坡口根部間隙調(diào)整為2mm，按照“分區(qū)進(jìn)行、每步歸零、單板雙焊、雙板單焊、對(duì)稱施工”。

雙人同時(shí)對(duì)稱施焊接

單人焊接焊道示意

超高層鋼結(jié)構(gòu)安裝計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)等幾部分組成。振弦式應(yīng)變傳感器布置在巨型柱、鋼板剪力墻和伸臂桁架及環(huán)形桁架主要鋼構(gòu)件上。

振弦式應(yīng)變傳感器 45度直角應(yīng)變花沿柱軸向布置傳感器

3.2 施工全過(guò)程仿真分析技術(shù)

運(yùn)用SAP2000有限元分析軟件，建立單元總數(shù)81726個(gè)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次加載法、近似加載法、分層加載法和精確加載法模擬施工。最終確定最佳的核心筒領(lǐng)先層數(shù)在8-12層左右。

核心筒領(lǐng)先施工0、8、12和16層情況下結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖

3.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程變形分析控制技術(shù)

巨型柱各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值增長(zhǎng)較為穩(wěn)定，符合典型受壓構(gòu)件特點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)平均應(yīng)力值在10~19MPa，相對(duì)穩(wěn)定，滿足巨型柱施階段程安全穩(wěn)定要求。

主體塔樓SRC巨型柱測(cè)點(diǎn)布置圖

首層巨型柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表

鋼板剪力墻最大壓應(yīng)力為18Mpa，最大拉應(yīng)力為5Mpa，應(yīng)力值低于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值，滿足施工階段安全性要求。

鋼板剪力墻傳感器安裝位置

1、2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展曲線

4、5、6號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展曲線

水平加強(qiáng)層采用風(fēng)荷載作為水平控制荷載，其中K形桁架效果較好，能夠調(diào)節(jié)外圍巨型柱軸力，剪力承擔(dān)能力增強(qiáng)，且對(duì)于上下相鄰樓層結(jié)構(gòu)受力影響較小，故本工程采用K形伸臂桁架結(jié)構(gòu)形式。

伸臂桁架有限元模型

3.4 施工階段豎向變形分析和補(bǔ)償

在超高層混合結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，混凝土的時(shí)間依存特性豎向構(gòu)件壓應(yīng)力的差異施、工加載順序以及施工過(guò)程中構(gòu)件長(zhǎng)度的調(diào)整會(huì)導(dǎo)致豎向構(gòu)件不同的豎向變形。采用通用大型有限元軟件MIDAS/Gen進(jìn)行81個(gè)施工階段結(jié)構(gòu)各樓層的豎向變形。巨柱最大總變形為27.72mm。核心筒剪力墻最大總變形為30.94mm。確定核心筒和外框豎向構(gòu)件每5個(gè)樓層進(jìn)行長(zhǎng)度補(bǔ)償。

SRC巨柱施工技術(shù)

SRC巨型鋼柱，25層以下一層一節(jié)進(jìn)行分段，25層至頂層二層一節(jié)進(jìn)行分段。伸臂桁架與巨柱連接節(jié)點(diǎn)最大重量達(dá)到52.5噸，將伸臂桁架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化分解。

52.5t伸臂桁架層SRC巨柱節(jié)點(diǎn)分解

SRC巨柱在工廠制作完，安裝定型防護(hù)平臺(tái)，采用動(dòng)臂塔吊進(jìn)行吊裝。（巨柱吊裝文件夾）采用全站儀進(jìn)行極坐標(biāo)測(cè)量定位。

SRC巨柱地腳螺栓安裝主要控制點(diǎn)

連接耳板設(shè)置圖

SRC巨柱吊裝圖

SRC巨柱吊裝測(cè)量圖

SRC巨型柱安裝

伸臂桁架層施工技術(shù)

5.1 伸臂桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

本工程伸臂結(jié)構(gòu)20~22層貫通鋼梁截面尺寸為□1400×500，48~50層貫通鋼梁截面收縮為□1400mm×300，通過(guò)對(duì)鋼構(gòu)件受力特性分析，將接頭形式進(jìn)行調(diào)整，滿足施工和結(jié)構(gòu)安全要求。

采用坡口套筒的方式，加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)連接。貫通梁采用一端連接板一端坡口套筒的連接方式，確保結(jié)構(gòu)鋼筋軸心受力。

超高層建筑的核心筒與外部結(jié)構(gòu)的豎向變形差異是必然發(fā)生的，特別是當(dāng)核心筒與帶狀桁架之間設(shè)有外伸桁架時(shí)，會(huì)增大結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力。本工程采用的連接板滑動(dòng)臨時(shí)固定法，采用高強(qiáng)螺栓臨時(shí)連接。

5.2 伸臂桁架高空一次安裝技術(shù)

伸臂桁架層的施工進(jìn)度，將對(duì)整個(gè)工程的施工部署和安排造成極大的影響，常規(guī)工程核心筒貫通鋼梁考慮構(gòu)件截面大、超重吊裝，選擇一層鋼結(jié)構(gòu)一層混凝土的施工原則。本工程為解決土建與鋼結(jié)構(gòu)的施工穿插和工程進(jìn)度的矛盾，安裝前采用Midsa/gen進(jìn)行有限元軟件分析，通過(guò)增設(shè)臨時(shí)永久支撐的方式，滿足核心筒貫通鋼梁的施工狀態(tài)下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算，實(shí)現(xiàn)了伸臂桁架層高空一次整體安裝。

貫通鋼梁臨時(shí)支撐設(shè)置

伸臂桁架鋼結(jié)構(gòu)高空一次安裝圖

伸臂桁架的巨型箱型鋼支撐安裝階段在連接處采用高強(qiáng)螺栓臨時(shí)固定，連接耳板螺栓孔設(shè)置成橢圓形的長(zhǎng)圓孔，待伸臂桁架兩側(cè)壓縮變形穩(wěn)定后再進(jìn)行焊接連接。

斜腹桿安裝圖

5.3 伸臂桁架焊接技術(shù)

伸臂桁架層最大鋼板厚度為100mm，單層伸臂桁架貫通鋼梁現(xiàn)場(chǎng)焊接焊縫總長(zhǎng)155.5m，其中板厚100mm的焊縫116m，單條焊縫最長(zhǎng)為2.4m。

通過(guò)制定合理焊接順序，采取焊接反變形控制和高強(qiáng)螺栓臨時(shí)錨固措施，有效控制了伸臂桁架施工的焊接變形。

100mm超厚鋼板焊接施工技術(shù)

【……部分采用了100mm厚Q345GJC鋼板，焊接質(zhì)量控制難度大，工藝復(fù)雜】GJC選用藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的焊接方式，以鋼襯墊單V型坡口焊為主要形式。焊接前對(duì)焊道兩側(cè)150mm范圍預(yù)熱，預(yù)熱溫度120℃。焊接順序采用錯(cuò)層多道錯(cuò)位焊接，層間溫度應(yīng)控制在180℃~210℃之間。焊接完成后，同預(yù)熱方式對(duì)焊件進(jìn)行后熱消氫處理。溫度加熱至250℃~300℃范圍，然后用巖棉覆蓋，恒溫2.5~3小時(shí)再緩冷。

100mm貫通鋼聯(lián)焊接節(jié)點(diǎn)

100mm箱型柱焊接節(jié)點(diǎn)

100mm梁柱拼接節(jié)點(diǎn)

多層多道焊示意圖

試件焊接

焊前鋼板預(yù)熱

現(xiàn)場(chǎng)焊接多層多道

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上各項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用，該工程榮獲“天津市鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)”“中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)”“中國(guó)工程內(nèi)設(shè)優(yōu)秀焊接工程一等獎(jiǎng)”等鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)獎(jiǎng)項(xiàng)。