鋼結構轉換桁架在某核電辦公樓中的工程應用

郭 瑋

(秦山核電集團籌備組科技研發與基建處，浙江海鹽 314300)

1 工程概況

某核電辦公樓為地下1層，地上11層的高層建筑，建筑高度51.5m，1層，2層層高5.1m，3層，4層層高4.3m，5層～10層層高3.9m，11層層高4.2m，建筑抗震設防類別為丙類。該工程為框架剪力墻結構，1層入口處為通高大廳，平面尺寸為25.2m×30m，高度14.5m，中間抽出兩排柱子，因此在4層設置橫向轉換桁架，跨度25.2m，剖面圖見圖1。

圖1 鋼骨混凝土柱—鋼結構轉換桁架剖面圖

2 轉換結構的方案選擇

2.1 結構形式的選擇

對幾種轉換構件形式分析如下:1)采用梁式轉換結構，轉換梁高、自重大、剛度集中、對結構抗震不利;2)由于轉換層沒有布置設備層，占用一層的箱形結構不適用于本工程;3)厚板轉換結構傳力復雜，自重很大，這類轉換結構不利于抗震。綜合分析，桁架式轉換結構適合本工程，優點如下:1)能充分利用轉換層的建筑空間，有利于大型管道等設備系統的布置;2)桁架結構傳力明確直接，適合進行結構分析和驗算;3)橫向抗側向剛度較其他轉換結構要小，質量、剛度的突變較為緩和。

2.2 材料的選擇

常見的桁架轉換結構有鋼筋混凝土桁架、鋼骨混凝土桁架和鋼結構桁架三種。優缺點比較見表1。

表1 轉換結構的優缺點比較

最后決定采用鋼桁架轉換結構，基于幾個原因:1)鋼桁架塑性、韌性好，自重輕，抗震性優越;2)可以在工廠加工、現場拼裝，工期短;3)桁架上下弦桿較小，節省空間，有利于建筑布置和保證大堂凈高;4)鋼筋混凝土桁架雖然成本低，但施工中也面臨支模難、澆搗困難等問題，質量不易受控。

3 結構設計措施

結構設計采取了如下措施:1)轉換層設計采用強化“轉換層及其下部、弱化轉化層下部”的原則;桁架轉換按“強斜腹桿、強節點”的原則;桁架轉換結構上部按“強柱弱梁、強邊柱弱中柱”的原則［1］;2)控制轉換層上下結構的側向剛度比，防止剛度出現突變，為此要保證兩側樓梯間和電梯井部位的剪力墻落地，提高落地剪力墻的厚度及混凝土強度等級;3)轉換桁架的支承柱及上一層托柱均采用型鋼混凝土，這樣既方便與鋼桁架連接，又在不加大中柱剛度的同時滿足了“強邊柱弱中柱”的原則以及軸壓比的要求;4)加強轉換層樓板的厚度及通長鋼筋的配置，以加強平面內的整體性和剛度。

4 施工技術方案

4.1 總體安裝思路

鋼結構施工方案主要考慮以下因素:1)對安全、質量有利的原則;2)與鋼筋混凝土結構交叉施工影響;3)滿足進度要求;4)成本控制;5)場地對吊裝的影響;6)構件運輸因素［3］。綜合分析，采用了“工廠預拼、散件運輸、分件吊裝、高空組裝”的施工方案。

4.2 鋼骨柱施工

鋼骨混凝土柱截面見圖2，柱截面尺寸1000mm×1000mm，鋼柱□550×550×35×35，鋼骨柱總高度27.57m，外包混凝土和內澆混凝土的強度等級均為C40。為方便鋼柱施工，將箱形柱分為三段加工安裝，施工順序如下。

圖2 鋼骨混凝土柱截面

4.2.1 柱腳預埋

柱腳預埋精度決定了轉換桁架的安裝精度，因此安裝前應根據設計圖紙對柱腳錨栓進行精確放樣、復測，完成柱腳的施工。圖3為鋼柱與基礎采用柱腳錨栓連接節點。

圖3 鋼骨混凝土柱柱腳節點

4.2.2 鋼柱安裝

底層鋼柱吊裝就位，將鋼柱底板穿入到柱腳錨栓，對標高和垂直度調整，直至柱腳與基礎鋼板上的十字線和外形線閉合。量測滿足規范要求后，用纜風繩等進行四向固定，固定后方可摘除吊鉤，然后依次完成鋼柱的施工。圖4為上層鋼柱與下層鋼柱的連接節點。

圖4 箱形截面柱拼接節點

4.2.3 混凝土施工

外包混凝土的施工與各樓層梁柱的施工順序一致。由于箱形鋼柱內布置有工藝隔板，極大地限制了混凝土的流動，因此采用高強灌漿料替代普通混凝土，解決了柱內混凝土的施工問題。

4.3 轉換桁架的安裝

桁架結構由下弦桿、上弦桿和腹桿組成，上下弦桿□650×550×40×40，腹桿 H550×550×25×35，共由20根桿件組成，長度約24.8m，總重量49t。安裝順序如下。

4.3.1 工廠預拼裝

鋼結構應先起拱加工，并且在出廠前，要求按桿件的空間位置組裝，目的是對鋼結構進行檢查和驗證，合格后方允許鋼構件出廠。

4.3.2 桁架安裝

整體吊裝成本高，因此采用分段吊裝法。分拆后的桁架結構每桿桿件的重量1.5t～8t不等，經過分析和計算，采用“無下部支撐”的安裝方案。

安裝流程依次如下:

構件進場驗收→柱段垂直度校正并向反方向張拉導鏈→吊裝桁架下弦桿的短段(與柱段用高強螺栓固定，并與導鏈斜拉)→吊裝桁架下弦桿的長段(與短段用高強螺栓固定)→吊裝桁架直腹桿并與下弦桿固定→吊裝上桿弦桿的長段→吊裝上桿弦桿的短段→吊裝桁架斜腹桿。步驟見圖5。

圖5 鋼桁架結構安裝步驟

4.3.3 桁架焊接

焊接前應首先檢查桁架直線度、標高(起拱)等，滿足規范后才能依次施焊。按照要求，所有桿件應在不受力狀態下焊接，因此采用“逆序法”進行施工:1)利用組裝好的下弦桿頂升上弦桿，當上弦桿達到預設位置和起拱高度后，進行上弦桿的焊接;2)當上弦桿焊接完成后，利用上弦桿拉升下弦桿到預設位置，然后進行下弦桿的焊接;3)依序進行腹桿的連接固定和焊接作業。這種工法簡單實用，較好地避免了分段施工產生的不利影響。

5 結語

鋼桁架具有施工方便、自重輕、抗震性能優越、成本較低的優點。桁架結構中桿件有較好的傳力性能，相較于其他轉換結構，在轉換層區域的剛度突變不明顯，因此是一種值得推廣使用的轉換結構形式。

［1］賀明衛.高層建筑中大跨度鋼桁架轉換層的試驗研究與理論分析［D］.杭州:浙江大學博士學位論文，2004.

［2］江海燕.高空鋼桁架安裝施工技術探討［J］.山西建筑，2011，37(9):101-102.

［3］馮亮亮，楊振林，武 楊.高層鋼結構轉換桁架施工技術［J］.工程質量，2009，27(1):39-40.