超高層建筑環帶桁架與伸臂桁架的施工方法

林兆豐 張浩杰 陳杰青

（中建海峽建設發展有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

超高層建筑結構均采用混合結構體系，以巨型框架-核心筒-伸臂桁架-巨型斜撐結構體系最為常見，其主要由核心筒、巨型柱、外伸臂桁架和巨型環帶桁架及巨型斜撐組成。除了巨型柱外，巨型環帶桁架承擔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層，共同抵抗側向風荷載或地震作用；另一方面，樓層荷載由重力小柱通過環帶桁架傳至巨柱，起到轉換作用。環帶桁架是框架核心筒結構的重要組成部分，一般每隔若干層設置1 層或3 層樓高的環帶桁架作為加強層，同時也是主框架的巨型梁，而內筒大多為型鋼混凝土剪力墻核心筒或內嵌鋼板的型鋼混凝土剪力墻筒體。為了更好地連系內筒和外框，增強結構的整體性和空間作用，會在內筒和外框之間設置伸臂桁架。本文將對環帶桁架+伸臂桁架的施工方案進行介紹。

1 超高層建筑結構的主要特點

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

（2）超高層建筑的地下室結構較為復雜，在結構設計時，需要預留一定的空間，應對超高層建筑項目地下室出現的反浮問題。

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

2 超高層建筑結構體系

對于250m 以上的超高層建筑，為加強整體結構的抗側能力，通常在外框架間設置環帶桁架，或在核心筒與框架柱間設置水平伸臂桁架，形成加強層，使得內外筒更好地協同工作，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構的抗傾覆力矩，但也會附帶著結構剛度突變等問題，導致結構空間和生產周期發生變化。若想規避這一問題，在規劃設計中，應盡可能做到讓伸臂桁架位置沿著結構體型及剛度變化規律進行均衡處理，保持伸臂桁架剛度的無限延伸效果。鑒于此，在實際作業中，需要對頂點位移、基本周期、層間位移角、核心筒傾覆力矩及拉力變化等展開綜合考量，合理規劃伸臂桁架的位置，保持其與結構及剛度間的均衡關系，以滿足建筑結構功能需求，完善設計效果，避免因結構或受力不均衡而引起各種事故問題。

環帶桁架的設置可有效規避伸臂桁架存在的各種問題，借助樓板變形對外框架承載傾覆力矩的能力加以調節，降低抗側力體系效率，避免剛度突變問題的產生。這種方法在高度大于250m 的超高層建筑中應用較為廣泛，其中核心筒與外框架之間的樓板面內剪切剛度的加強和準確模擬是提高環帶桁架抗側剛度的關鍵。

3 伸臂桁架與環帶桁架相關概述

3.1 伸臂桁架

針對超高層建筑建造過程中存在的結構側移現象，通常會采用伸臂桁架置于外框和核心筒的接觸位置，以提高整個建筑群體的承載力，并相應地提高框架的傾覆彎矩，一定程度上降低結構側移動的概率，實現框架和核心筒之間的穩定。在設置內筒傾覆彎矩的過程中，需要將位置控制靠下，鞏固側移效果。

3.2 環帶桁架

環帶桁架的“虛擬伸臂”作用機理與傳統的伸臂桁架相似，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帶桁架（或環帶墻）可以充分發揮框架柱的空間作用，并可改善外框的剪力滯后效應。在水平荷載作用下，環帶桁架加強層核心筒的轉動受到環帶桁架加強層樓板的約束，使環帶桁架上、下弦所在樓板產生方向相反的移動趨勢。由于變形協調，環帶桁架弦桿與傳統伸臂桁架加強層相比，環帶桁架加強層的傳力路徑較長，對核心筒轉動約束較弱，抗側效率比伸臂桁架加強層低。因此，當主體結構對側向剛度需求不大時，可采用環帶桁架加強層，以減小對建筑使用空間的影響、改善結構剛度及結構內力的突變程度、消除豎向變形差異引起的附加內力。在“稀柱框架-核心筒”結構中，環帶桁架在傳統伸臂桁架加強層（加強層設置伸臂桁架及環帶桁架）與“虛擬伸臂”（加強層僅設置環帶桁架）中的主要作用也有所不同。在傳統伸臂桁架加強層中，核心筒的傾覆力矩主要依靠伸臂桁架傳遞到翼緣框架中，環帶桁架的主要作用是改善翼緣框架的剪力滯后效應。而在“虛擬伸臂”加強層中，環帶桁架是通過對環帶桁架加強層樓板變形的約束，將核心筒的傾覆力矩傳遞到外框，并轉換為外框的傾覆力矩。

4 超高層建筑環帶桁架與伸臂桁架的施工方法

4.1 Ⅲ代智能頂模系統

超高層智能頂模系統結構組成主要為桁架鋼平臺、格構柱支撐系統、超大行程液壓動力系統、組合鋼模板系統、內外掛架及安全圍護系統，通過集成塔吊、登頂施工電梯、布料機、模板、掛架等機械及設備的施工平臺，為超高層的施工提供一個安全全封閉的操作平臺。智能頂模系統整體效果如圖1（a)所示，結構分解如圖1（b)所示。智能頂模系統具有3 大優點：輕量簡便、快速高效及智能安全。

圖1 智能頂模系統效果及結構分解

（1）輕量簡便。鋼平臺以3～5 個支點與支撐鋼柱連接，相比傳統工藝采用數10 個集群支點，少支點平臺具備結構適應性強、簡便易調、受力明確等優點。鋼平臺桁架采用薄壁輕質高強鋼，采用標準化部件拼接，項目完工后可拆卸循環使用，節約材料。

（2）快速高效。采用長行程（5m 以上）油缸，“頂模”能在4h 內完成一個結構層高的頂升，頂升過程智能液壓系統可監控位移、壓力數據，自動維持鋼平臺水平，出現異常狀況可自動急停，保證頂升過程安全。塔吊與模架集成于鋼平臺，可與鋼平臺同步向上頂升，加快施工進度；模架可靈活調節，能滿足墻體厚薄、直斜變化，使用可調高度并能沿軌道滑動的模架吊桿裝置，能實現模架施工的有軌作業，降低工人勞動強度。

（3）智能安全。智能安全監控系統可對鋼平臺的應力、應變、位移、垂直度以及工作面的風速進行監測，提前進行風險預警，保證施工過程安全。安裝防屈曲支撐（BRB）耗能裝置，地震荷載下通過屈曲支撐（BRB）耗能減震，保證鋼平臺仍能處于彈性狀態，為施工人員逃生贏得寶貴時間。

4.2 柱模板施工

柱模板施工前結合計算軟件對螺桿型號、背楞、角鐵型號等進行分類。木模板區螺桿設置縱橫向間距，背楞小鋼架豎向布置間距進行計算，得到合適的施工數據，以保證滿足施工安全性的前提下，減少多余的加固，節省材料和施工時間。

4.3 優化梁柱節點位置與鋼筋連接

通過BIM 技術三維模擬鋼結構異型柱與鋼筋綁扎節點施工工況，可以清晰發現鋼筋在梁柱節點處的沖突問題。原設計圖紙中,鋼筋在梁柱節點處均采用鋼筋連接器連接。如按傳統工藝，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 進行搭接焊接。為優化施工，經查閱有關圖集、規范并結合施工經驗,并與設計單位溝通,將原設計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度鋼板與鋼筋搭接焊接連接,達到了提高工效、縮短工期的效果,同時保證了施工質量。

4.4 吊裝技術

吊裝是鋼結構施工的龍頭工序，鋼結構吊裝前應根據結構平面和立面形狀、結構形式、塔吊的數量和位置、現場施工條件等因素確定吊裝分區與吊裝順序。吊裝區域的分配可根據施工區域進行劃分，將其分為兩個或四個區域等，保障每一個吊裝設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到外、由低到高，先進行底層的吊裝，在同一平面內，先進行中心的吊裝，然后由中心慢慢向外擴散進行吊裝，完成一個平面后，再吊裝高的平面，按照同樣的道理進行吊裝。當完成一個平面的吊裝后應及時對本平面的吊裝情況進行檢查，保障每一個平面吊裝技術的完美應用。

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，對于溫度把控而言，操作人員可以利用電加熱設備，焊接步驟通常是先焊橫截面較大的構件，然后再將后期的接口進行焊接完善，才能發揮整個桁架焊接的功能和效果。

4.6 鋼筋綁扎

通過以下幾種方法降低鋼筋制作和綁扎難度：（1）在箍筋時，要將整個鋼筋結構設置為平行四邊形，不僅可以發揮整個結構的穩定性，還可以在發現結構存在問題時，及時地進行形狀的修改；（2）抽筋和插筋工作可以混合應用，但需要做好箍筋位置的更換；（3）操作人員在完成外側箍筋的工作中，需要考慮到栓釘的影響力，再結合實際的需求和場景時，改變箍筋的形式，將其設置為拉鉤形狀；（4）要做好鋼筋結構的箍筋和拉鉤位置設置，確保施工的順利完成。

5 結束語

超高層建筑一般采用核心筒+框架結構，當結構抗側力不滿足設計要求時，常設置結構加強層來提高結構整體抗側剛度。本文根據環帶桁架與伸臂桁架的特點及適用范圍，就超高層建筑結構的加強層的施工方法進行了總結，通過對環帶桁架與伸臂桁架的可靠安裝，可以保證后續土建工程的開展安全穩定、有序進行，為類似超高層建筑環帶桁架與伸臂桁架深化建設提供幫助。