超高層建筑環(huán)帶桁架與伸臂桁架的施工方法

林兆豐 張浩杰 陳杰青

（中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

超高層建筑結(jié)構(gòu)均采用混合結(jié)構(gòu)體系，以巨型框架-核心筒-伸臂桁架-巨型斜撐結(jié)構(gòu)體系最為常見(jiàn)，其主要由核心筒、巨型柱、外伸臂桁架和巨型環(huán)帶桁架及巨型斜撐組成。除了巨型柱外，巨型環(huán)帶桁架承擔(dān)了建筑物的大部分荷載，一方面與伸臂桁架和巨柱相連接形成加強(qiáng)層，共同抵抗側(cè)向風(fēng)荷載或地震作用；另一方面，樓層荷載由重力小柱通過(guò)環(huán)帶桁架傳至巨柱，起到轉(zhuǎn)換作用。環(huán)帶桁架是框架核心筒結(jié)構(gòu)的重要組成部分，一般每隔若干層設(shè)置1 層或3 層樓高的環(huán)帶桁架作為加強(qiáng)層，同時(shí)也是主框架的巨型梁，而內(nèi)筒大多為型鋼混凝土剪力墻核心筒或內(nèi)嵌鋼板的型鋼混凝土剪力墻筒體。為了更好地連系內(nèi)筒和外框，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和空間作用，會(huì)在內(nèi)筒和外框之間設(shè)置伸臂桁架。本文將對(duì)環(huán)帶桁架+伸臂桁架的施工方案進(jìn)行介紹。

1 超高層建筑結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)

（1）超高層建筑的層數(shù)多，建筑工程地基的穩(wěn)定性與承重能力高于一般建筑，需要采用筏式裝配結(jié)構(gòu)，提高超高層建筑的穩(wěn)定性。

（2）超高層建筑的地下室結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要預(yù)留一定的空間，應(yīng)對(duì)超高層建筑項(xiàng)目地下室出現(xiàn)的反浮問(wèn)題。

（3）超高層建筑項(xiàng)目施工難度較大，在實(shí)際施工過(guò)程中需要使用多種建筑施工工藝，如深基坑技術(shù)、模架施工技術(shù)、鋼-混凝土組合施工技術(shù)等，要求相關(guān)工作人員提高自身綜合能力，充分掌握相關(guān)的專業(yè)知識(shí)。

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)體系

對(duì)于250m 以上的超高層建筑，為加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，通常在外框架間設(shè)置環(huán)帶桁架，或在核心筒與框架柱間設(shè)置水平伸臂桁架，形成加強(qiáng)層，使得內(nèi)外筒更好地協(xié)同工作，有效抵抗水平作用力。伸臂桁架雖然可借助外框架剛度增大框筒結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩，但也會(huì)附帶著結(jié)構(gòu)剛度突變等問(wèn)題，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)空間和生產(chǎn)周期發(fā)生變化。若想規(guī)避這一問(wèn)題，在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能做到讓伸臂桁架位置沿著結(jié)構(gòu)體型及剛度變化規(guī)律進(jìn)行均衡處理，保持伸臂桁架剛度的無(wú)限延伸效果。鑒于此，在實(shí)際作業(yè)中，需要對(duì)頂點(diǎn)位移、基本周期、層間位移角、核心筒傾覆力矩及拉力變化等展開(kāi)綜合考量，合理規(guī)劃伸臂桁架的位置，保持其與結(jié)構(gòu)及剛度間的均衡關(guān)系，以滿足建筑結(jié)構(gòu)功能需求，完善設(shè)計(jì)效果，避免因結(jié)構(gòu)或受力不均衡而引起各種事故問(wèn)題。

環(huán)帶桁架的設(shè)置可有效規(guī)避伸臂桁架存在的各種問(wèn)題，借助樓板變形對(duì)外框架承載傾覆力矩的能力加以調(diào)節(jié)，降低抗側(cè)力體系效率，避免剛度突變問(wèn)題的產(chǎn)生。這種方法在高度大于250m 的超高層建筑中應(yīng)用較為廣泛，其中核心筒與外框架之間的樓板面內(nèi)剪切剛度的加強(qiáng)和準(zhǔn)確模擬是提高環(huán)帶桁架抗側(cè)剛度的關(guān)鍵。

3 伸臂桁架與環(huán)帶桁架相關(guān)概述

3.1 伸臂桁架

針對(duì)超高層建筑建造過(guò)程中存在的結(jié)構(gòu)側(cè)移現(xiàn)象，通常會(huì)采用伸臂桁架置于外框和核心筒的接觸位置，以提高整個(gè)建筑群體的承載力，并相應(yīng)地提高框架的傾覆彎矩，一定程度上降低結(jié)構(gòu)側(cè)移動(dòng)的概率，實(shí)現(xiàn)框架和核心筒之間的穩(wěn)定。在設(shè)置內(nèi)筒傾覆彎矩的過(guò)程中，需要將位置控制靠下，鞏固側(cè)移效果。

3.2 環(huán)帶桁架

環(huán)帶桁架的“虛擬伸臂”作用機(jī)理與傳統(tǒng)的伸臂桁架相似，但是桁架桿件并不需要與核心筒直接相連；相反，沿外圍框架一圈的環(huán)帶桁架（或環(huán)帶墻）可以充分發(fā)揮框架柱的空間作用，并可改善外框的剪力滯后效應(yīng)。在水平荷載作用下，環(huán)帶桁架加強(qiáng)層核心筒的轉(zhuǎn)動(dòng)受到環(huán)帶桁架加強(qiáng)層樓板的約束，使環(huán)帶桁架上、下弦所在樓板產(chǎn)生方向相反的移動(dòng)趨勢(shì)。由于變形協(xié)調(diào)，環(huán)帶桁架弦桿與傳統(tǒng)伸臂桁架加強(qiáng)層相比，環(huán)帶桁架加強(qiáng)層的傳力路徑較長(zhǎng)，對(duì)核心筒轉(zhuǎn)動(dòng)約束較弱，抗側(cè)效率比伸臂桁架加強(qiáng)層低。因此，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)向剛度需求不大時(shí)，可采用環(huán)帶桁架加強(qiáng)層，以減小對(duì)建筑使用空間的影響、改善結(jié)構(gòu)剛度及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的突變程度、消除豎向變形差異引起的附加內(nèi)力。在“稀柱框架-核心筒”結(jié)構(gòu)中，環(huán)帶桁架在傳統(tǒng)伸臂桁架加強(qiáng)層（加強(qiáng)層設(shè)置伸臂桁架及環(huán)帶桁架）與“虛擬伸臂”（加強(qiáng)層僅設(shè)置環(huán)帶桁架）中的主要作用也有所不同。在傳統(tǒng)伸臂桁架加強(qiáng)層中，核心筒的傾覆力矩主要依靠伸臂桁架傳遞到翼緣框架中，環(huán)帶桁架的主要作用是改善翼緣框架的剪力滯后效應(yīng)。而在“虛擬伸臂”加強(qiáng)層中，環(huán)帶桁架是通過(guò)對(duì)環(huán)帶桁架加強(qiáng)層樓板變形的約束，將核心筒的傾覆力矩傳遞到外框，并轉(zhuǎn)換為外框的傾覆力矩。

4 超高層建筑環(huán)帶桁架與伸臂桁架的施工方法

4.1 Ⅲ代智能頂模系統(tǒng)

超高層智能頂模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成主要為桁架鋼平臺(tái)、格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)、超大行程液壓動(dòng)力系統(tǒng)、組合鋼模板系統(tǒng)、內(nèi)外掛架及安全圍護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)集成塔吊、登頂施工電梯、布料機(jī)、模板、掛架等機(jī)械及設(shè)備的施工平臺(tái)，為超高層的施工提供一個(gè)安全全封閉的操作平臺(tái)。智能頂模系統(tǒng)整體效果如圖1（a)所示，結(jié)構(gòu)分解如圖1（b)所示。智能頂模系統(tǒng)具有3 大優(yōu)點(diǎn)：輕量簡(jiǎn)便、快速高效及智能安全。

圖1 智能頂模系統(tǒng)效果及結(jié)構(gòu)分解

（1）輕量簡(jiǎn)便。鋼平臺(tái)以3～5 個(gè)支點(diǎn)與支撐鋼柱連接，相比傳統(tǒng)工藝采用數(shù)10 個(gè)集群支點(diǎn)，少支點(diǎn)平臺(tái)具備結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、簡(jiǎn)便易調(diào)、受力明確等優(yōu)點(diǎn)。鋼平臺(tái)桁架采用薄壁輕質(zhì)高強(qiáng)鋼，采用標(biāo)準(zhǔn)化部件拼接，項(xiàng)目完工后可拆卸循環(huán)使用，節(jié)約材料。

（2）快速高效。采用長(zhǎng)行程（5m 以上）油缸，“頂?！蹦茉?h 內(nèi)完成一個(gè)結(jié)構(gòu)層高的頂升，頂升過(guò)程智能液壓系統(tǒng)可監(jiān)控位移、壓力數(shù)據(jù)，自動(dòng)維持鋼平臺(tái)水平，出現(xiàn)異常狀況可自動(dòng)急停，保證頂升過(guò)程安全。塔吊與模架集成于鋼平臺(tái)，可與鋼平臺(tái)同步向上頂升，加快施工進(jìn)度；模架可靈活調(diào)節(jié)，能滿足墻體厚薄、直斜變化，使用可調(diào)高度并能沿軌道滑動(dòng)的模架吊桿裝置，能實(shí)現(xiàn)模架施工的有軌作業(yè)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）智能安全。智能安全監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)鋼平臺(tái)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、垂直度以及工作面的風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，保證施工過(guò)程安全。安裝防屈曲支撐（BRB）耗能裝置，地震荷載下通過(guò)屈曲支撐（BRB）耗能減震，保證鋼平臺(tái)仍能處于彈性狀態(tài)，為施工人員逃生贏得寶貴時(shí)間。

4.2 柱模板施工

柱模板施工前結(jié)合計(jì)算軟件對(duì)螺桿型號(hào)、背楞、角鐵型號(hào)等進(jìn)行分類。木模板區(qū)螺桿設(shè)置縱橫向間距，背楞小鋼架豎向布置間距進(jìn)行計(jì)算，得到合適的施工數(shù)據(jù)，以保證滿足施工安全性的前提下，減少多余的加固，節(jié)省材料和施工時(shí)間。

4.3 優(yōu)化梁柱節(jié)點(diǎn)位置與鋼筋連接

通過(guò)BIM 技術(shù)三維模擬鋼結(jié)構(gòu)異型柱與鋼筋綁扎節(jié)點(diǎn)施工工況，可以清晰發(fā)現(xiàn)鋼筋在梁柱節(jié)點(diǎn)處的沖突問(wèn)題。原設(shè)計(jì)圖紙中,鋼筋在梁柱節(jié)點(diǎn)處均采用鋼筋連接器連接。如按傳統(tǒng)工藝，牛腿上下翼緣鋼筋使用鋼筋連接器連接后,柱中鋼筋將采用單面10為鋼筋直徑，下同)或雙面5d 進(jìn)行搭接焊接。為優(yōu)化施工，經(jīng)查閱有關(guān)圖集、規(guī)范并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn),并與設(shè)計(jì)單位溝通,將原設(shè)計(jì)鋼筋連接方式變更為牛腿上翼緣采用焊接鋼筋連接器連接、牛腿下翼緣采用焊接等強(qiáng)度鋼板與鋼筋搭接焊接連接,達(dá)到了提高工效、縮短工期的效果,同時(shí)保證了施工質(zhì)量。

4.4 吊裝技術(shù)

吊裝是鋼結(jié)構(gòu)施工的龍頭工序，鋼結(jié)構(gòu)吊裝前應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)平面和立面形狀、結(jié)構(gòu)形式、塔吊的數(shù)量和位置、現(xiàn)場(chǎng)施工條件等因素確定吊裝分區(qū)與吊裝順序。吊裝區(qū)域的分配可根據(jù)施工區(qū)域進(jìn)行劃分，將其分為兩個(gè)或四個(gè)區(qū)域等，保障每一個(gè)吊裝設(shè)備得到極大程度的使用。吊裝順序方面，其基本的吊裝原則是由內(nèi)到外、由低到高，先進(jìn)行底層的吊裝，在同一平面內(nèi)，先進(jìn)行中心的吊裝，然后由中心慢慢向外擴(kuò)散進(jìn)行吊裝，完成一個(gè)平面后，再吊裝高的平面，按照同樣的道理進(jìn)行吊裝。當(dāng)完成一個(gè)平面的吊裝后應(yīng)及時(shí)對(duì)本平面的吊裝情況進(jìn)行檢查，保障每一個(gè)平面吊裝技術(shù)的完美應(yīng)用。

4.5 桁架焊接

桁架焊接作需要采用多層多道焊的焊接方式，對(duì)于溫度把控而言，操作人員可以利用電加熱設(shè)備，焊接步驟通常是先焊橫截面較大的構(gòu)件，然后再將后期的接口進(jìn)行焊接完善，才能發(fā)揮整個(gè)桁架焊接的功能和效果。

4.6 鋼筋綁扎

通過(guò)以下幾種方法降低鋼筋制作和綁扎難度：（1）在箍筋時(shí)，要將整個(gè)鋼筋結(jié)構(gòu)設(shè)置為平行四邊形，不僅可以發(fā)揮整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還可以在發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題時(shí)，及時(shí)地進(jìn)行形狀的修改；（2）抽筋和插筋工作可以混合應(yīng)用，但需要做好箍筋位置的更換；（3）操作人員在完成外側(cè)箍筋的工作中，需要考慮到栓釘?shù)挠绊懥?，再結(jié)合實(shí)際的需求和場(chǎng)景時(shí)，改變箍筋的形式，將其設(shè)置為拉鉤形狀；（4）要做好鋼筋結(jié)構(gòu)的箍筋和拉鉤位置設(shè)置，確保施工的順利完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

超高層建筑一般采用核心筒+框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，常設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層來(lái)提高結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度。本文根據(jù)環(huán)帶桁架與伸臂桁架的特點(diǎn)及適用范圍，就超高層建筑結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)層的施工方法進(jìn)行了總結(jié)，通過(guò)對(duì)環(huán)帶桁架與伸臂桁架的可靠安裝，可以保證后續(xù)土建工程的開(kāi)展安全穩(wěn)定、有序進(jìn)行，為類似超高層建筑環(huán)帶桁架與伸臂桁架深化建設(shè)提供幫助。