高層鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)同步等高攀升施工技術(shù)

陳 鐘，胡文學(xué)，楊 歡，陳建良，劉 博，徐寶全，穆 霖

(中國(guó)建筑第五工程局有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

目前，建筑領(lǐng)域高層結(jié)構(gòu)常采用鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)施工多采用爬模或爬架先行核心筒，外框鋼結(jié)構(gòu)落后于核心筒5～6層的同步不等高施工工藝；鋼框架與混凝土核心筒同步等高攀升施工則較少見(jiàn)。深圳市深圳技術(shù)大學(xué)大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院主體結(jié)構(gòu)結(jié)合工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用鋼框架與混凝土核心筒同步等高攀升施工工藝，達(dá)到縮短工期、提升質(zhì)量、安全可靠、降低成本的目的。

1 高層鋼框架-混凝土核心筒同步等高攀升施工工藝

目前國(guó)內(nèi)在建的高層鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)均采用核心筒先行，外框鋼柱、鋼梁、組合樓板(或鋼筋桁架樓承板)后施工的不等高同步攀升施工工藝。通過(guò)理論和實(shí)踐研究可知，主體結(jié)構(gòu)高度<100m 時(shí)，塔樓主體結(jié)構(gòu)施工完成至地下室頂板后，在核心筒周?chē)O(shè)置支撐體系，作為核心筒未施工時(shí)的鋼梁受力點(diǎn)，將外框鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立成全鋼結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)外圍鋼框架與核心筒同步施工，外圍樓板與核心筒墻柱同步澆筑。相較于前者，該工藝有以下優(yōu)勢(shì)：①減少核心筒爬升式腳手架安裝和拆卸的等待時(shí)間，大大縮短結(jié)構(gòu)施工工期；②外圍水平結(jié)構(gòu)與核心筒整體現(xiàn)澆，避免留設(shè)施工冷縫，能更好控制外框與核心筒交界面混凝土的施工質(zhì)量，保證鋼框架與混凝土核心筒的協(xié)調(diào)作用；③避免交界面板筋預(yù)留帶來(lái)的后續(xù)樓承板施工不便；④可消除核心筒先行、垂直交叉施工時(shí)上方混凝土鑿毛墜物等對(duì)外圍鋼結(jié)構(gòu)施工的影響；⑤避免核心筒混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)水下流等污染下方已安裝完成的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，提升成品保護(hù)質(zhì)量及安全文明形象；⑥核心筒無(wú)須采用爬升式腳手架，可避免爬架施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，且可降低施工成本；⑦采用可周轉(zhuǎn)、安拆方便的臨時(shí)支撐，材料回收率高。

塔樓主體結(jié)構(gòu)主要施工工序?yàn)椋轰摻Y(jié)構(gòu)安裝→構(gòu)件焊接→高強(qiáng)螺栓安裝→防腐漆補(bǔ)涂→樓承板安裝→鋼筋綁扎→模板安裝→混凝土澆筑。為更好地組織各工序有序穿插施工，充分利用作業(yè)面，將上述工序合為3道：①鋼柱、鋼梁安裝及焊接；②樓承板鋪設(shè)；③鋼筋綁扎、支模及混凝土澆筑。每道工序施工時(shí)間均為3d，從而形成等節(jié)拍流水施工。從首層鋼柱、鋼梁安裝開(kāi)始，到結(jié)構(gòu)施工至6層時(shí)首層臨時(shí)支撐拆除，進(jìn)行周轉(zhuǎn)使用為止。6層以上樓層施工順序按此循環(huán)進(jìn)行。

為更好地形成流水作業(yè)，避免窩工及縮短技術(shù)停歇，擬將塔樓平面總體分為東、西2個(gè)分區(qū)(見(jiàn)圖1)。先施工東區(qū)，后施工西區(qū)，各工種的施工順序?yàn)椋簄F東區(qū)→nF西區(qū)→(n+1)F東區(qū)→(n+1)F西區(qū)→…。

圖1 塔樓平面施工分區(qū)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)計(jì)臨時(shí)支撐體系

在核心筒結(jié)構(gòu)未施工并達(dá)到強(qiáng)度前，為外框鋼結(jié)構(gòu)的安裝提供受力支撐，與外框鋼結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定體系，將施工荷載傳遞到已施工結(jié)構(gòu)上，是實(shí)現(xiàn)核心筒結(jié)構(gòu)與外框鋼結(jié)構(gòu)同步攀升施工的核心。

1)設(shè)置成品箱形鋼柱

核心筒四周存在主梁連接核心筒的跨度>2.5m，且需承受上部組合樓板自重及施工荷載，靠核心筒一端各向均無(wú)約束時(shí)，其上部荷載較大，需在靠近核心筒一端設(shè)置承載力較大的箱形鋼柱，作為臨時(shí)支撐；為保證靠核心筒一端不發(fā)生傾覆，需在臨時(shí)支撐箱形鋼柱上端設(shè)置連系梁，與外框鋼柱結(jié)構(gòu)連接，形成穩(wěn)定體系。

支撐柱、連系梁平面布置及立面如圖2，3所示，核心筒北側(cè)8根輻射梁跨度11.4m，靠核心筒一端各向均無(wú)約束，根據(jù)承載力需要，選取箱形支撐柱截面為□200×10，材質(zhì)Q235B。為加強(qiáng)施工階段臨時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在各柱頂部設(shè)置水平連系梁，連系梁截面采用熱軋H型鋼H300×150×6.5×9，材質(zhì)Q235B。

圖2 支撐柱、連系梁平面布置

圖3 支撐柱、連系梁立面

2)設(shè)置鋼管格構(gòu)柱

核心筒四周存在主梁連接核心筒的跨度<2.5m，其上鋪設(shè)的樓承板與鋼梁平行或接近平行時(shí)，施工過(guò)程中組合樓板自重及板面施工荷載少部分傳遞到主梁上，主梁僅承受自重及少量施工荷載，因此選用承載力較小、成本較低、搭設(shè)便捷的鋼管格構(gòu)柱，如圖4所示。根據(jù)需求，格構(gòu)柱采用φ48.3×3.0鋼管搭設(shè)，平面尺寸為600mm×600mm，橫桿間距1 000mm，4個(gè)面設(shè)置斜撐，頂部支撐鋼梁位置頂托內(nèi)設(shè)置Q235B雙鋼管。

圖4 鋼管格構(gòu)柱

經(jīng)計(jì)算，支撐樓層混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后，拆除該層臨時(shí)支撐，周轉(zhuǎn)用于上部樓層。

須根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、支撐部位、初步估算的施工荷載進(jìn)行臨時(shí)支撐體系選型，并考慮臨時(shí)支撐體系在施工過(guò)程中的抗傾覆能力。

2.2 完善臨時(shí)支撐體系連接節(jié)點(diǎn)

為保證臨時(shí)支撐體系和外框鋼結(jié)構(gòu)有效連接，對(duì)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，以便臨時(shí)支撐安裝和拆卸，達(dá)到快速建造的效果。

1)設(shè)置支撐柱柱腳節(jié)點(diǎn)

設(shè)置在有臨時(shí)箱形支撐柱部位的底部鋼梁，焊接于主梁上表面，用與箱形支撐柱壁厚同厚的鋼板制作鋼板埋件，埋件高度同外框結(jié)構(gòu)樓板厚度。臨時(shí)箱形支撐柱與埋件板焊接連接，使用氣刨拆除，刨除焊縫后，重復(fù)利用臨時(shí)支撐柱。臨時(shí)支撐柱截面為□200×200×10，則柱腳節(jié)點(diǎn)埋件板厚10mm，外圍樓板厚120mm，則柱腳節(jié)點(diǎn)埋件高120mm。柱腳節(jié)點(diǎn)如圖5所示。

圖5 柱腳節(jié)點(diǎn)

2)設(shè)置支撐柱頂部與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)

在臨時(shí)箱形支撐柱上部鋼梁設(shè)置連接節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖6)，設(shè)置兩個(gè)槽型加勁肋，采用厚度與箱形支撐柱壁厚相同的鋼板制作，焊接于鋼梁上、下翼緣，起到加強(qiáng)主梁抗剪和抗彎能力的作用，避免主梁承載過(guò)大而發(fā)生端部翹起變形。

圖6 支撐柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)

3)設(shè)置連系梁連接節(jié)點(diǎn)

在臨時(shí)箱形支撐柱柱頂以下150mm處設(shè)置連系梁連接節(jié)點(diǎn)，即在臨時(shí)箱形支撐柱兩側(cè)，提前焊接連接板，連接板厚度通常為連系梁腹板板厚的2倍，連接板上根據(jù)受力需設(shè)置高強(qiáng)螺栓孔數(shù)量，以便連系梁提供螺栓與臨時(shí)支撐柱連接，使臨時(shí)支撐柱形成整體，加強(qiáng)臨時(shí)支撐體系的側(cè)向穩(wěn)定性。同時(shí)，螺栓連接的節(jié)點(diǎn)便于連續(xù)梁及箱形支撐柱的安裝和拆除，使得臨時(shí)支撐柱與連系梁能實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用和快速周轉(zhuǎn)。節(jié)點(diǎn)如圖7所示。

圖7 連系梁連接節(jié)點(diǎn)

結(jié)合臨時(shí)支撐體系特點(diǎn)，完善其連接節(jié)點(diǎn)，在需傳遞彎矩部位使用剛接節(jié)點(diǎn)，如通過(guò)埋件將構(gòu)件焊接；在無(wú)須傳遞彎矩部位，盡可能使用鉸接節(jié)點(diǎn)，僅通過(guò)螺栓連接，方便支撐體系安拆，實(shí)現(xiàn)快速建造。

2.3 復(fù)核驗(yàn)算臨時(shí)支撐體系

對(duì)臨時(shí)支撐體系進(jìn)行受力驗(yàn)算，為判斷其可行性與安全性提供依據(jù)。

1)應(yīng)力驗(yàn)算

利用有限元軟件MIDAS建立計(jì)算模型，由于核心筒頂部2層未施工或澆筑時(shí)間較短，未達(dá)到強(qiáng)度，須按無(wú)約束考慮，體系須選擇4～5層支撐同步驗(yàn)算。應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如圖8所示，根據(jù)應(yīng)力結(jié)果對(duì)比構(gòu)件材質(zhì)和屈服強(qiáng)度，看驗(yàn)算是否能滿(mǎn)足最低承載力要求。

圖8 應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

2)變形量與穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)主體外框結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐體系變形位置和變形大小，判斷結(jié)構(gòu)體系是否穩(wěn)定，是否需采取措施進(jìn)行側(cè)向剛度加強(qiáng)。

主體外框結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐體系變形如圖9所示。主結(jié)構(gòu)變形主要為端部起翹，支撐體系主要是側(cè)向穩(wěn)定性變形。通過(guò)頂部連系梁加強(qiáng)側(cè)向剛度，保持支撐體系穩(wěn)定，連續(xù)梁需與主結(jié)構(gòu)立柱間主梁相連。

圖9 主體外框結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐體系變形

3 施工保證措施

3.1 質(zhì)量控制措施

1)采購(gòu)材料須經(jīng)監(jiān)理及建設(shè)單位確認(rèn)，所有本工程使用材料的采購(gòu)合同均須報(bào)監(jiān)理工程師備案，監(jiān)理工程師對(duì)采購(gòu)材料有監(jiān)督權(quán)與否決權(quán)，施工單位應(yīng)為構(gòu)件建立加工和施工檔案，確保從原材料到構(gòu)件安裝完成各工序的可追溯性。

2)對(duì)所有進(jìn)場(chǎng)材料采取出入登記制度，進(jìn)場(chǎng)均應(yīng)有材料合格證明，經(jīng)驗(yàn)收合格的材料應(yīng)整齊堆放在指定地點(diǎn)，且掛牌標(biāo)識(shí)，杜絕不合格材料混入場(chǎng)內(nèi)使用，不合格材料應(yīng)封存標(biāo)識(shí)，禁止使用。

3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有各級(jí)專(zhuān)職質(zhì)量檢驗(yàn)員，對(duì)施工中每道工序按有關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行自檢，符合要求后，填寫(xiě)工程檢驗(yàn)報(bào)告單，向監(jiān)理工程師申請(qǐng)檢驗(yàn)，經(jīng)監(jiān)理工程師簽認(rèn)合格后，方可進(jìn)行下道工序作業(yè)。

4)記錄鋼結(jié)構(gòu)安裝節(jié)點(diǎn)。記錄中應(yīng)記載當(dāng)班安裝、焊接操作工作及質(zhì)量監(jiān)控人員姓名，節(jié)點(diǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果給予簽字確認(rèn)。

5)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)缺陷應(yīng)及時(shí)修正，并報(bào)監(jiān)理工程師檢驗(yàn)認(rèn)可簽字后，方可進(jìn)行下一步安裝。

3.2 安全管理措施

1)配備現(xiàn)場(chǎng)安全主任、專(zhuān)職安全員，建立完善的自檢制度，做好自檢記錄，接受發(fā)包方、監(jiān)理和主管部門(mén)的檢查監(jiān)督，確保工程質(zhì)量與施工安全。

2)加強(qiáng)對(duì)施工作業(yè)人員的技術(shù)、安全培訓(xùn)和交底，增強(qiáng)其安全防范意識(shí)和自我保護(hù)意識(shí)，確保結(jié)構(gòu)和施工人員安全。

3)氧氣瓶、乙炔氣瓶應(yīng)設(shè)有防震膠圈，旋緊安全鋼罩，分別放置在各自倉(cāng)庫(kù)，應(yīng)在遮陽(yáng)棚下使用，嚴(yán)禁使氣瓶暴曬在烈日下。

4)做好高處作業(yè)安全防護(hù)措施，作業(yè)人員須佩戴安全帶，生命線(xiàn)、施工通道、安全平網(wǎng)封閉等必須完善，有操作平臺(tái)，有上下梯子或其他形式通道。

3.3 環(huán)保措施

1)成立施工環(huán)境、衛(wèi)生、消防管理機(jī)構(gòu)，在施工過(guò)程中嚴(yán)格遵循國(guó)家法律、法規(guī)和規(guī)章，注重“綠色施工”理念，做好節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水、節(jié)地和環(huán)境保護(hù)相關(guān)措施。

2)晚間焊接作業(yè)須采取遮光措施，減少施工光污染。動(dòng)火前須開(kāi)用火證，嚴(yán)格用火制度。

3)混凝土澆筑施工應(yīng)盡量在白天進(jìn)行，如不得不進(jìn)行夜間施工時(shí)，應(yīng)做好相關(guān)報(bào)備手續(xù)。

4)運(yùn)輸、施工所用車(chē)輛及機(jī)械廢氣等均應(yīng)符合環(huán)保要求。施工區(qū)域與非施工區(qū)域間設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的分隔設(shè)施，做到連續(xù)、穩(wěn)固、整潔、美觀(guān)。

4 同步等高施工效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

采用傳統(tǒng)施工工藝，主體施工工期為140d，而采用本工法施工工期為108d，縮短工期32d。現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工共需40人，費(fèi)用為300元/人/工日，土建施工共需30人?，F(xiàn)場(chǎng)ZSC600型塔式起重機(jī)1臺(tái)，費(fèi)用為150 000元/月，平均5 000元/d。降低成本計(jì)算為：節(jié)約人工費(fèi)=300元/人/工日×70人×32d=672 000元；節(jié)約機(jī)械費(fèi)=5 000元/d×32d=160 000元；取消爬架，降低成本3 000 000元。

外圍鋼結(jié)構(gòu)與核心筒同時(shí)施工增加臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐箱形柱及連系梁共計(jì)21t，材料及安拆單價(jià)合計(jì)7 000元/t；臨時(shí)支撐架體共計(jì)3 000m2，安拆單價(jià)86元/m2。增加費(fèi)用為：箱形柱及連系梁費(fèi)用=7 000 元/t×21t=147 000元，臨時(shí)支撐架體費(fèi)用=3 000m2×86元/m2=258 000元。

合計(jì)降低成本=3 000 000-147 000-258 000=259.5(萬(wàn)元)。

4.2 社會(huì)效益

高層鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)同步等高攀升施工技術(shù)，從施工組織、技術(shù)攻關(guān)、施工控制、過(guò)程監(jiān)測(cè)等多方面形成一個(gè)完整的施工技術(shù)體系，促進(jìn)施工企業(yè)技術(shù)水平提高，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)與施工提供先進(jìn)的思路和方法，有較好的推廣應(yīng)用前景。

5 結(jié)語(yǔ)

高層鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)同步等高攀升施工，需合理組織施工工序，設(shè)計(jì)可靠的臨時(shí)支撐體系，以保證結(jié)構(gòu)安全、施工質(zhì)量和安全，提高施工工效，加快施工進(jìn)度，縮短工期。

高層鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)同步等高攀升施工技術(shù)，省去大型爬升式腳手架，采用可周轉(zhuǎn)臨時(shí)支撐措施，最大限度節(jié)約材料，實(shí)現(xiàn)施工工效提升，在施工過(guò)程中注重“綠色施工”理念，取得較好的節(jié)能和環(huán)保效益，對(duì)今后類(lèi)似結(jié)構(gòu)工程的施工具有一定指導(dǎo)意義。