多層多點(diǎn)懸掛結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵施工技術(shù)研究

詹瀟，葉思雨，尤克泉，陳萬里，曹永銓

（1.浙江中天恒筑鋼構(gòu)有限公司，浙江 杭州 310000；2.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

懸掛結(jié)構(gòu)[1-2]不同于傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜多變，內(nèi)力的傳遞路徑也與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同[3]?；谶@一特性，懸掛結(jié)構(gòu)在施工時(shí)主要有兩種方法[4]：一種是從下到上順向施工，另一種是從上到下逆向施工。

本文以杭州某公共建筑項(xiàng)目為例，對(duì)比分析多層多點(diǎn)懸掛體系施工技術(shù)方案。從施工過程結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性、可操作性和工期四個(gè)維度出發(fā)，通過對(duì)不同施工方案的對(duì)比分析研究，確定合理的施工方案，為類似的結(jié)構(gòu)施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目工程概況

該公共建筑項(xiàng)目位于杭州市西湖區(qū)，項(xiàng)目地上主樓由A～C樓3 棟12 層塔樓及地上3 層裙房組成，地下3 層。主樓結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高57m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m。塔樓在4～5 層之間未設(shè)置豎向結(jié)構(gòu)，形成大面積的無柱空間。同時(shí)為了滿足建筑要求，塔樓5～12 層采用多層多點(diǎn)懸掛結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

A～C 塔樓地上結(jié)構(gòu)為混凝土核心筒+鋼桁架懸掛結(jié)構(gòu)體系，塔樓核心筒作為豎向承重和抗側(cè)結(jié)構(gòu)，5～12 層結(jié)構(gòu)通過鋼吊桿懸掛在核心筒頂部懸挑鋼桁架端部。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)工程概況

A～C 塔樓5～12 層除核心筒外為全鋼結(jié)構(gòu)，頂部桁架為鋼桁架。鋼吊桿與樓層鋼梁為鉸接或剛接連接，鋼梁與核心筒為鉸接連接。鋼梁和桁架采用的鋼材材質(zhì)為Q355B、Q390B，鋼吊桿的鋼材材質(zhì)為Q650、Q835[5]。本項(xiàng)目鋼吊桿力學(xué)性能如表1 所示。桁架下部鋼吊桿節(jié)點(diǎn)如圖2 所示，頂部典型桁架如圖3 所示。

圖2 桁架下部鋼吊桿節(jié)點(diǎn)

圖3 頂部典型桁架

表1 鋼吊桿力學(xué)性能

2 懸掛體系鋼結(jié)構(gòu)施工重、難點(diǎn)分析

2.1 懸掛體系傳力路徑特殊

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之一為荷載的傳力路徑與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不一致，這一特點(diǎn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝方案帶來較大的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的荷載傳遞方式為：樓面荷載→次梁→主梁→豎向結(jié)構(gòu)，為從上到下。

本項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)的荷載傳遞方式為：樓面荷載→次梁→主梁→鋼吊桿→頂部懸挑桁架→核心筒，為從下到上。樓層鋼梁一側(cè)通過鋼吊桿將荷載傳遞至頂部鋼桁架，再由鋼桁架傳遞至核心筒結(jié)構(gòu)。

2.2 屋頂桁架施工難度大

本項(xiàng)目屋頂桁架單榀最長35.6m，最大懸挑長度13.2m。單榀桁架整體重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過塔吊起重量，桁架的分段方案需結(jié)合加工、運(yùn)輸及現(xiàn)場分段拼裝方案進(jìn)行綜合考慮。

2.3 鋼吊桿安裝、調(diào)整困難

鋼吊桿軸力自下而上逐層累積，最上層鋼吊桿內(nèi)力較大，需要施加較大的扭矩進(jìn)行安裝、調(diào)整。調(diào)整時(shí)，調(diào)整層下方各層標(biāo)高會(huì)同時(shí)產(chǎn)生位移。

3 總體施工方案選擇

3.1 整體施工順序

對(duì)于傳統(tǒng)高層建筑結(jié)構(gòu)，一般采用從下到上的施工順序。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的受力角度出發(fā)，本項(xiàng)目懸掛結(jié)構(gòu)需待核心筒及頂部懸挑桁架全部施工完成后，從上到下的順序安裝外框懸掛鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，懸掛結(jié)構(gòu)的施工順序可分為以下兩種。

（1）順序1 從上到下施工 整體施工關(guān)鍵線路為：核心筒施工到頂→頂部桁架安裝焊接完成→核心筒混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度→桁架卸載→懸掛鋼結(jié)構(gòu)自上至下逐層安裝→懸掛結(jié)構(gòu)樓板澆筑。

（2）順序2 從下到上施工 以土建核心筒施工為主線，外框懸掛鋼結(jié)構(gòu)同步施工。整體施工流程為：核心筒領(lǐng)先施工→臨時(shí)支撐設(shè)置→懸掛結(jié)構(gòu)鋼梁、鋼吊桿安裝→頂部鋼桁架安裝→臨時(shí)支撐卸載→懸掛結(jié)構(gòu)樓板澆筑。

3.2 桁架施工方案對(duì)比分析

若采用方案1 從上到下施工的施工順序，需要先將主體結(jié)構(gòu)頂部桁架施工完成。桁架的安裝方法有兩種：（1）懸挑安裝法，如圖4 所示；（2）支架安裝法，如圖5 所示。從經(jīng)濟(jì)性、安全性及工期三個(gè)方面對(duì)比分析兩種桁架安裝方案的優(yōu)劣。

圖4 懸挑安裝法示意圖

圖5 支架安裝法示意圖

經(jīng)濟(jì)性：采用支架安裝法，支撐架底部基礎(chǔ)坐落于地下室頂板上，頂板相應(yīng)位置下方采用型鋼反頂加固至地下室底板，將上部荷載傳遞至基礎(chǔ)。臨時(shí)支架采用租賃塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)搭設(shè)，整體支撐架費(fèi)用約16.5 萬元。若采用懸挑安裝法，無需搭設(shè)臨時(shí)支撐架，額外措施費(fèi)可忽略不計(jì)。

安全性：當(dāng)采用支架安裝法時(shí)，由于搭設(shè)豎向臨時(shí)支撐架，安裝過程中結(jié)構(gòu)的安全及施工人員的安全保障相對(duì)較好。懸挑安裝時(shí)，施工人員需懸空作業(yè)，人員安全保障性較差。

工期：支架安裝法施工時(shí)，臨時(shí)支撐架可提前搭設(shè)，不影響關(guān)鍵線路工期。頂部桁架施工完成后，支架拆除時(shí)間占用關(guān)鍵線路，工期+5d。當(dāng)采用懸挑安裝法施工時(shí)，在安裝過程中全部荷載傳遞至核心筒，此時(shí)要求核心筒混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，工期+28d。桁架構(gòu)件吊裝到位后，需完成對(duì)接焊縫處打底焊工序，此時(shí)構(gòu)件自重荷載通過打底焊焊縫進(jìn)行傳遞，整個(gè)安裝過程相對(duì)于支架法所用的時(shí)間較長，工期+21d。兩種桁架安裝方法對(duì)比分析如表2 所示。

表2 桁架安裝方案對(duì)比分析

為了確保項(xiàng)目整體施工工期以及施工過程中的安全保障，最終選擇相對(duì)費(fèi)用較高但工期更短，安全性更優(yōu)的支架安裝法。

3.3 懸掛結(jié)構(gòu)施工方案對(duì)比分析

若采用施工順序1 從上到下施工，懸掛結(jié)構(gòu)采用提升方式施工。提升施工分為：（1）結(jié)構(gòu)提升；（2）施工平臺(tái)提升。

方案1 累積提升施工流程為：裙房四層樓面搭設(shè)拼裝胎架→拼裝最上面一層結(jié)構(gòu)→提升一層層高→拼裝下一層結(jié)構(gòu)→提升一層層高→循環(huán)施工將所有樓層提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高。提升設(shè)備采用專業(yè)公司液壓穿心千斤頂施工，以本項(xiàng)目C 樓單棟主樓測算，共50 個(gè)提升點(diǎn)位，共需50 臺(tái)60t 穿心千斤頂提升設(shè)備，設(shè)備費(fèi)用較高。本項(xiàng)目樓層鋼梁與核心筒預(yù)埋件連接，該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)余量空隙極小，對(duì)核心筒施工質(zhì)量（偏位）要求較高，否則在提升過程中鋼梁與核心筒易發(fā)生卡碰情況，如圖6 所示。

圖6 方案1 安裝示意圖

方案2 施工平臺(tái)提升高空散裝施工。方案2 施工流程為：利用5 層原結(jié)構(gòu)鋼梁作為托架→托架上部鋪設(shè)鋼板→將最上面兩層結(jié)構(gòu)鋼梁運(yùn)至托架上→托架提升至結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)高→人工安裝樓層結(jié)構(gòu)→托架降至四層樓面→循環(huán)施工完成所有樓層結(jié)構(gòu)。此方案將結(jié)構(gòu)提升思路改為操作平臺(tái)提升，解決了核心筒垂直度偏差會(huì)造成鋼梁與核心筒卡碰的問題。此方案增加了一定的成本，但工期及可操作性都有所優(yōu)化，如圖7 所示。

圖7 方案2 安裝示意圖

通過對(duì)方案1～2 提升方案的對(duì)比及優(yōu)化，成本、工期和可行性有小幅度的提升。但是工期仍無法滿足現(xiàn)場要求，且托架提升高空散裝尚無施工先例，施工過程中風(fēng)險(xiǎn)不可控。

研究后決定采用施工順序2 從下到上施工，鋼結(jié)構(gòu)施工流水作業(yè)能很好地適應(yīng)土建施工，工期符合現(xiàn)場要求，施工可操作性較好。

4 施工方案優(yōu)化

4.1 臨時(shí)支撐設(shè)置及優(yōu)化

懸掛結(jié)構(gòu)采用從下到上的方式安裝，懸掛結(jié)構(gòu)各層鋼梁下部需設(shè)置臨時(shí)支撐，最下層臨時(shí)支撐底部設(shè)置在裙房四層及地下室頂板混凝土結(jié)構(gòu)上部。分析懸掛結(jié)構(gòu)各層施工時(shí)荷載傳遞路徑，采用Midas Gen 計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體建模計(jì)算。

（1）頂部桁架支撐與懸掛結(jié)構(gòu)支撐統(tǒng)一設(shè)置，初步驗(yàn)算臨時(shí)支撐構(gòu)件型號(hào)，評(píng)估臨時(shí)支撐布置方案的經(jīng)濟(jì)性。

（2）對(duì)原結(jié)構(gòu)整體受力情況進(jìn)行初步驗(yàn)算，確定需要調(diào)整復(fù)核的臨時(shí)支撐點(diǎn)位。

（3）驗(yàn)算臨時(shí)支撐桿件及整體穩(wěn)定性，優(yōu)化臨時(shí)支撐系統(tǒng)。

（4）根據(jù)構(gòu)造要求細(xì)化臨時(shí)支撐系統(tǒng)，并對(duì)臨時(shí)支撐桿件連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最終確定臨時(shí)支撐桿件型號(hào)。臨時(shí)支撐標(biāo)準(zhǔn)層高度4.2m，采用單根口200×5 鋼方管立柱，驗(yàn)算結(jié)果如圖8、9 所示。

圖8 驗(yàn)算應(yīng)力圖

圖9 驗(yàn)算位移圖

（5）計(jì)算軟件提取臨時(shí)支撐底部反力值，對(duì)群房四層受載混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無法滿足受載要求的點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整或加固處理。

4.2 鋼吊桿對(duì)接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

原設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)在施工時(shí)會(huì)遇到兩個(gè)較難解決的問題：（1）鋼拉桿軸力自下而上逐層累積，最上方拉桿內(nèi)力接近30t，進(jìn)行調(diào)整時(shí)要施加的扭矩較大；（2）進(jìn)行樓層標(biāo)高調(diào)整時(shí)，調(diào)整層下方各層標(biāo)高會(huì)同時(shí)產(chǎn)生位移，無法僅對(duì)單層標(biāo)高修正。

針對(duì)上述問題，提出了節(jié)點(diǎn)優(yōu)化思路，將單個(gè)連接套筒改為內(nèi)套筒與外套筒連接。使得在樓層標(biāo)高調(diào)整時(shí)，只需調(diào)整內(nèi)、外套筒的相對(duì)位置即可，此時(shí)外套筒受力僅為單層荷載，且鋼吊桿長度無變化，各層標(biāo)高調(diào)整相對(duì)獨(dú)立，如圖10、11 所示。

圖10 原設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)展開圖

圖11 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后展開圖

圖12 應(yīng)用效果

4.3 優(yōu)化后對(duì)比

通過對(duì)從下到上施工方案的優(yōu)化，與提升方案對(duì)比分析如表3 所示。

表3 懸掛結(jié)構(gòu)安裝方案對(duì)比分析

5 結(jié)論

針對(duì)多層多點(diǎn)懸掛結(jié)構(gòu)體系，本文通過從上到下施工順序和從下到上施工順序的對(duì)比分析，確定了從下向上的施工順序，并通過計(jì)算優(yōu)化，解決了臨時(shí)支撐體系費(fèi)用過高和鋼吊桿節(jié)點(diǎn)無法獨(dú)立調(diào)整層高的問題。