非完整框架超高層不落地鋼柱臨時支撐施工技術研究與應用

莊添和 吳騰達

(福建省閩南建筑工程有限公司 福建泉州 362100)

0 引言

針對超高層建筑中具有不落地鋼柱的非完整框架結構，在設計立面上所有懸挑鋼梁、斜柱荷載均通過非完整框架的整體空間受力體系，將豎向荷載通過落地豎向構件傳至基礎。但是，在安裝過程中，由于非完整框架懸挑區域的梁柱未形成完整空間受力體系，往往需要在懸挑區域設置臨時支撐壓桿或拉桿，將懸挑區域豎向荷載臨時傳遞至落地豎向結構，使之形成臨時落地桁架。待非完整框架結構受力體系施工完成后，再拆除臨時支撐(卸載)將其轉換成空間受力體系。

基此，本文基于國信金融大廈塔樓立面折線形鋼結構空腔施工實踐，在具有不落地鋼柱的非完整框架空腔結構施工中，通過設置臨時支撐的方式進行結構框架體系轉換，以解決非完整框架不落地鋼柱施工技術難題，供同行借鑒參考。

1 工程概況

由福建省閩南建筑工程有限公司總承包施工的國信金融大廈工程，位于深圳市福田中心區，是一幢集商業、辦公、服務及配套設施為一體的一類超高層辦公綜合樓。地下5層，地上裙樓3層，塔樓46層(局部51層)。總建筑面積104 998m2，建筑總高度228.0m。主樓平面尺寸為37.8m×40.5m，高寬比為5.3，核心筒高寬比為9.3。

該工程塔樓南、北建筑立面，從5F起至46F大屋面，設計為折線形貫通空腔，使大樓南北立面形成“之”字形的“裂痕”造型。主體采用非完整框架-核心筒結構，即核心筒采用型鋼混凝土結構，外框架由不落地鋼柱、樓層鋼梁、沿貫通中庭立面設置的鋼斜柱及其緊鄰的落地鋼管混凝土柱組成非完整鋼結構框架，如圖1所示。外框柱為“日”字型鋼管混凝土柱，外形尺寸均為1000×400×40×40～1000×400×16×16，柱距為4.05m、5.4m。南北立面折線形貫通空腔，在空腔處鋼柱起始段隨樓層的變化而變化。每層設有懸挑樓層鋼梁，懸挑鋼梁上部設有中庭斜柱豎向連接。最大懸挑長度約6.3m，最小懸挑長度約為0.5m。

2 臨時支撐方案

2.1 結構特點及臨時支撐方案

根據結構立面特點，按照重力荷載的傳遞方式將立面分為6個區域，所有不落地鋼柱的豎向荷載通過平面懸挑梁傳遞給落地鋼管混凝土柱。非完整框架懸挑區域及臨時支撐方案，如圖2所示。

2.2 臨時支撐設置參數

各道臨時支撐設置參數表，如表1所示。臨時支撐拉、壓桿立面構造示意圖，如圖3所示。

圖1 結構立面效果圖圖2 臨時支撐布置示意圖表1 臨時支撐設置參數表

框架位置臨時支撐樓層位置類型截面尺寸不落地空間框架1Z1L06～L07壓桿H550×550×40×40不落地空間框架2Z21L17～L18拉桿H550×550×40×40Z22L15～L16壓桿H550×550×40×40Z31L21～L22拉桿H550×550×30×35Z32L19～L20壓桿H550×550×30×35Z4L24～L25壓桿H500×500×30×35不落地空間框架3Z51L32～L33拉桿H500×500×30×35Z52L30～L31壓桿H500×500×30×35Z6L39～L40壓桿H450×500×25×30

注：臨時支撐型鋼材質均為Q345B。

圖3 臨時支撐拉、壓桿立面構造示意圖

3 施工模擬仿真分析

3.1 分析軟件及設計依據

(1)分析軟件

施工仿真分析及局部構件承載力校核均采用Midas/Gen Ver.800軟件。

(2)設計依據

①施工進度計劃及結構圖；

②鋼結構工程施工方案；

③臨時支撐施工方案。

3.2 基本考慮和假定

(1)施工過程中的臨時荷載設定：空腔范圍外1.5kPa，空腔范圍內1.0kPa。臨時堆載應盡量避開南北空腔區域，如不能避開，也應盡可能減少此區域堆載樓層數量。

(2)外框柱為CFT柱，考慮到內灌混凝土占比不高，且由于內部混凝土處于密閉空間，水分蒸發緩慢，因此，收縮徐變影響較弱，驗算分析不考慮外框柱的時變效應。

(3)考慮框架-核心筒結構的變形特點，忽略由地基不均勻沉降對豎向變形差的影響。

(4)結構施工期間，核心筒剪力墻和周邊框架柱的溫度差異不大，不考慮溫度變化對結構豎向變形差的影響[1]。

3.3 施工模擬分析模型建立

基于原始結構分析模型，考慮實際施工過程的進度計劃及混凝土的時變效應，如圖4所示；加撐和拆撐過程等影響，建立施工階段分析模型，如圖5所示。通過模型分析結果，統計核心筒和外框架在收縮、徐變和彈性壓縮作用下的變形，預估其變形差。

圖4 施工加載時序

圖5 施工階段分析模型

3.4 分析結果

(1)結構豎向變形分析結果

①核心筒的豎向變形主要由荷載引起的彈性變形、收縮變形、徐變變形組成[2]。

核心筒沿樓層高度的豎向變形如圖6所示。由圖中可以看出，荷載引起的彈性變形占主要部分。由于混凝土收縮變形是個長期的過程，雖然相當一部分收縮變形在結構施工期出現，但后期的混凝土收縮仍在繼續。而由于核心筒厚度較大，體表面積大，水分蒸發量減少，收縮量也會減少，所以總體來看，在施工階段，混凝土收縮引起的核心筒豎向變形所占比例并不大。混凝土徐變增長可延續數十年，但大部分在前1～2年出現，前3～6個月發展最快，所以在施工階段，徐變引起的混凝土核心筒豎向變形分量所占比例較大。

②外框柱的彈性壓縮變形分析結果。

外框柱的豎向變形統計如圖7所示。

圖6 核心筒非荷載作用下的豎向變形

圖7 外框柱非荷載作用下的豎向變形

③外框柱與核心筒剪力墻的豎向變形量值及差異。

按照前述的計算理論和施工情況，計算核心筒和外框柱在結構封頂完成后的豎向變形量值和差異。從圖6和圖7中可以看出，核心筒與外框柱的豎向變形量及豎向變形差的最大值發生在結構中上部[3]。核心筒與東、西框架柱的最大變形發生在30層附近，從底部到三十層，結構豎向變形隨樓層增加而增加，從三十層到結構頂部，結構豎向變形隨樓層增加逐步減少，最大差異變形在10mm以內。核心筒與南北框架柱的最大變形，發生在中部的立面空腔邊界，最大差異變形約為46mm。根據分析結果，設定核心筒豎向預留量和外框柱豎向預留量。

(2)支撐拆除過程有限元分析結果

支撐拆除過程結構變形(自重+附加恒載+施工活載+收縮+徐變)，如圖8～圖9所示。

圖8 整體建筑完成時的變形(未拆撐)

圖9 拆除所有支撐的變形

由分析結果可見，在南、北框架關鍵點的施工全過程變形拆撐時會較大幅度增加，最后總的變形最大約為84mm。施工過程中，要重點關注南北側框架加撐和拆撐處框架柱最上和最下樓層點處的變形。

(3)其它分析項目

除上述分析結果外，通過施工仿真技術還應從豎向變形差對樓面梁內力的影響，外框架水平變形，施工過程中關鍵點的豎向變形及評估，臨時支撐的內力及承載力校核，施工過程中對其它構件內力影響以及施工階段變形控制及監測等方面，進行詳細驗算和分析，以確保模擬分析的全面性。

3.5 分析結論

通過考慮超高層建筑施工加載順序、混凝土收縮徐變、施工過程中臨時支撐的設置等因素，對國信金融大廈進行了施工模擬分析，得到以下結論：

(1)施工過程中，外框架空腔處整體空間作用尚未形成時，通過設置臨時支撐改善結構施工過程中的變形和受力的方案是可行的。

(2)由于設置臨時支撐，樓面和核心筒梁板在施工過程承受了一定拉力，需要進行局部加強以保證其強度滿足要求，以控制其開裂程度。

(3)由于結構布置以及荷載的變化，不同位置的混凝土核心筒與外框柱的豎向變形及差異可能存在區別[4]。豎向變形量及變形差的最大值，一般發生在結構的中部或者中部偏上，呈現出兩頭小、中間大的趨勢，差異變形值能夠滿足規范要求。

(4)考慮到塔樓外框架結構復雜性，施工仿真分析得到的結構變形估算值與現場實測變形值，在施工期間應每隔適當時段進行比較，從而復核估算值的合理性及與實測值的一致性。在施工過程中發現差距較大時，應及時對剩余豎向預調整量進行修正。

4 臨時支撐深化設計及現場安裝

4.1 臨時支撐深化設計

在工程整體鋼結構圖紙的深化設計過程中，結合臨時支撐方案的安裝及拆除過程進行考慮。深化設計以施工設計圖紙、技術要求及施工模擬分析報告為依據，結合工廠制作條件、運輸條件，考慮現場拼裝、安裝方案、設計分區及土建條件進行[5]。

4.2 臨時支撐現場安裝

臨時支撐安裝，分為預埋、吊裝及焊接3個基本過程，其安裝工藝與常規鋼結構施工并無二致。塔樓主體結構施工時，核心筒超出外框架4～6層，臨時支撐預埋件埋設于塔樓核心筒外墻(墻厚600mm～800mm)內，與核心筒結構施工同步預埋。臨時支撐桿件與鋼結構外框架鋼梁同步安裝。外框架施工順序：鋼柱吊裝→鋼梁及臨時支撐吊裝→鋼柱焊接→鋼梁及臨時支撐焊接→鋼柱混凝土澆筑→壓型鋼板鋪設→樓層混凝土澆筑。臨時支撐安裝時應注意以下幾個問題：

(1)臨時支撐預埋件，由于尺寸較大，其與核心筒結構鋼筋的連接、排布和焊接質量必須進行重點控制。

(2)臨時支撐安裝前，宜先鋪設完成下方樓層壓型鋼板，以作為臨時支撐安裝工人操作平臺。

(3)針對施工仿真分析中空腔鋼結構部分豎向變形或應力應變較大的樓層(16F～31F)，應設置沉降后澆帶。

(4)結構變形差調整措施：外框架結構施工時，在各層樓板混凝土澆筑完成后，對本層豎向鋼柱及空腔懸挑梁端(臨時支撐點)進行精確測量和監測，分析結構實測變形值與計算預調值的是否吻合，為下一階段的施工變形控制提供依據。通過“計算預調值→深化設計預調長度→現場監測→施工調整→計算下一分段的預調值”的不斷循環控制，保證結構變形差處于可控狀態。結構變形差以每4～6層為一個調整階段。

5 臨時支撐拆除

臨時支撐的拆除過程，關系到整個空腔結構體系由臨時完整框架向非完整框架體系轉換的關鍵工序，也是對整體框架結構沉降和變形的控制至關重要的環節。在拆撐前編制詳細的拆撐方案，并經設計單位審核同意。

5.1 臨時支撐拆除順序

(1)臨時支撐拆除，采取由上至下(從Z6至Z1)逐道拆除的順序。在上一道支撐拆除完成且沉降穩定后，拆除下一道支撐。

(2)每一道支撐，分為應力釋放和切割卸載兩個拆除步驟。在切割卸載的同時，對切割部位采取防沉降、變形突變的措施,如圖10～圖11所示。

①防突墜限位板；②防側移限位板；③焊縫圖10 壓桿拆除構造示意圖

①防突墜限位裝置；②防側移限位板；③焊縫圖11 拉桿拆除構造示意圖

(3)同一支撐點的拉桿、壓桿支撐拆除(如：Z21和Z22、Z31和Z32、Z51和Z52)，在同步完成應力釋放后，先拆拉桿，再拆壓桿。

5.2 臨時支撐拆除步驟

臨時支撐拆除過程以防止懸挑結構沉降突變為關鍵控制點。拆撐卸載結合沉降變形監測漸漸進行，避免一次卸載導致產生動力放大效應。拉桿支撐和壓桿支撐拆除步驟略有差別，具體拆除步驟如下：

(1)壓桿支撐拆除步驟

①第一步：拆除高強螺栓腹板連接板，將上段螺栓擴孔20mm～30mm長(擴孔方向朝上)并重新安裝擰緊連接板。

②第二步：設定支撐焊縫處上、下各偏移 300mm范圍為烘烤區，采用氧氣、乙炔對烘烤區進行加熱烘烤。整個烘烤區域溫度達到 500℃后，讓其自然冷卻，使支撐內應力得到有效釋放。

③第三步：烘烤區自然冷卻至100℃左右，在支撐上翼緣焊接2塊防突墜限位板，上、下翼緣兩側各焊接1塊防側移限位板，作為支撐割斷時的防突墜裝置。限位鋼板僅與上段支撐焊接，與下段支撐不焊接。

④第四步：切斷支撐。采用氣割分次進行，每次切縫寬度不得大于 4mm，支撐切斷過程中跟蹤進行應力及沉降變形觀測，直到切縫完全斷開，懸挑區域沉降變形趨于穩定。

⑤第五步：支撐切斷并觀測24h后，若未發生異常變形情況，即可拆除腹板連接螺栓及連接板；再連續觀測48h，觀測數據趨于穩定時，對支撐進行分段氣割拆除；最后，打磨牛腿面、噴涂防銹漆，完成本道支撐拆除。

(2)拉桿支撐拆除步驟

①第一步：拆除高強螺栓腹板連接板，將上段螺栓擴孔20mm～30mm長(擴孔方向朝下)并重新安裝擰緊連接板。

②第二步：設定支撐焊縫處上、下各偏移 300mm范圍為烘烤區，采用氧氣、乙炔對烘烤區進行加熱烘烤。整個烘烤區域溫度達到 500℃后，讓其自然冷卻，使支撐內應力得到有效釋放。

③第三步：烘烤區自然冷卻至100℃左右，在支撐上翼緣焊接1塊防突墜限位裝置，上、下翼緣兩側各焊接1塊防側移限位板，作為支撐割斷時的防突墜裝置。限位鋼板僅與下段支撐焊接，與上段支撐不焊接。

④第四步：切斷支撐。采用氣割分次進行，每次切割縫寬度不得大于 4mm。支撐切斷過程中，跟蹤進行應力及沉降變形觀測，直到切縫完全斷開，懸挑區域沉降變形趨于穩定。

⑤第五步：支撐切斷并觀測24h后，若未發生異常變形情況，即可拆除腹板連接螺栓及連接板；再連續觀測48h，觀測數據趨于穩定時，對支撐進行分段氣割拆除；最后，打磨牛腿面、噴涂防銹漆，完成本道支撐拆除。

5.3 結構體系轉換

全部臨時支撐拆除完成并觀測72h后，待空腔不落地鋼柱豎向變形趨于穩定，即可由上至下逐層澆筑各層樓板預留的沉降后澆帶，完成結構體系轉換。

6 施工過程變形監測措施

施工階段變形監測，貫穿從鋼結構安裝至臨時支撐拆除的全過程，特別針對臨時支撐拆除過程，應加強施工中關鍵點的變形監測，控制變形值及變形速率。結構施工過程中，盡量減少空腔范圍的附加荷載，包括盡量避免施工堆載、樓面做法、設備等，以減少臨時支撐內力，也減少了拆撐難度和對永久結構構件的影響。

6.1 監測方法及觀測點布置

利用結構施工過程中所建立的標高測量控制網，觀測點由核心筒外圍建筑標高1m線引測至需要觀測的鋼柱上，以核心筒標高1m線為基準線進行沉降差觀測。繪制監測點平面布置圖，如圖12所示。并做好監測記錄。其中，南北框架的不落地柱的柱頂和柱底位置，應作為關鍵觀測點進行加密觀測。監測按照三等水準測量要求作業，現場配備的水準儀精度應滿足監測要求。

6.2 監測頻率

(1)各道臨時支撐應力松弛前進行第1次觀測。

(2)各道臨時支撐應力松弛后進行第2次觀測。

(3)各道臨時支撐切斷后進行第3次觀測。

(4)各道臨時支撐切斷后24h內每4h～8h觀測一次，而后每24h觀測一次，連續觀測不少于3d。

6.3 監測預警

(1)切斷即時沉降值控制在10mm以內。

(2)24h后累計沉降值控制在20mm以內。

(3)72h后累計沉降值控制在30mm以內。

(4)拆除過程同步觀察，樓板與核心筒連接的根部是否出現裂縫或同層樓板，是否出現不平衡變形等異常情況。

7 結語

本次工程實踐，運用計算機施工模擬仿真分析技術，對非完整框架超高層進行施工全過程模擬，為準確地把握異型鋼結構空腔施工關鍵要點提供了大量理論數據支持。在非完整框架超高層整體空間作用尚未形成時，通過設置臨時支撐改善結構施工過程中的變形和受力形態，確保異型鋼結構空腔的順利施工。另外，在臨時支撐拆除過程中，烘烤應力釋放、防突墜變形控制等創新性施工技術，也保證了主體鋼結構框架豎向變形和施工偏差符合規范要求。項目整體施工質量取得理想效果，為今后類似項目施工積累了寶貴經驗。