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2024.8.13-15

廣州廣交會展館C區(琶洲)

廣東建筑科技周

鋼結構 | 315m超高層SRC巨型勁性柱、鋼板剪力墻施工技術

廣東建筑工業化展 2018-03-23 2355

概述

天津諾德金融大廈為濱海新區于家堡金融區第一地標性建筑，總建筑面積21.8萬㎡，建筑高度299.7m，塔樓地上64層。塔樓結構采用雙重抗側力結構體系：巨型框架+鋼筋混凝土核芯筒，設置8根SRC巨柱，巨柱與核心筒之間設置伸臂桁架。巨柱最大截面3m×2m，伸臂桁架箱形構件最大截面1m×1.5m。-4層到10層設置非加勁鋼板剪力墻，高度約65m，鋼板厚度20mm、40mm。

諾德金融大廈建筑效果圖

（a）整體結構（b）混凝土核芯筒+伸臂桁架（c）巨型框架（d）次框架塔樓結構示意圖

非加勁鋼板剪力墻施工技術

2.1 非加勁鋼板剪力墻優化設計

采用Xsteel、AutoCAD、PKPM、3D3S、SAP2000等軟件進行驗算并設計詳細節點，將剪力墻內型鋼柱與鋼板墻連為一個整體，將鋼板剪力墻合理分段，減少現場焊縫數量，確保鋼板墻強度。協調鋼板剪力墻和外部鋼筋混凝土結構變形，采用焊接式鋼筋連接器，增強鋼筋與鋼板剪力墻之間的錨固，杜絕核心筒墻體裂縫。

鋼板剪力墻布置圖

鋼板剪力墻鋼筋連接節點圖

2.2 非加勁鋼板剪力墻變形控制技術

在鋼板墻加工時沿水平方向每隔2.4m加設一道豎向加勁板，沿高度方向每層墻頂位置處加設一道水平加勁板以增加端部的平面外剛度。在鋼板剪力墻門洞位置處約束相對薄弱，易發生焊接變形，在鋼骨柱頂部兩側增設HW200×200×8×12的臨時鋼梁。

鋼板剪力墻焊接時焊接應力影響區往往發生在焊縫兩側300mm的范圍內，在300mm范圍以外焊接應力隨距離的增加逐漸衰減，影響相對減小。沿焊縫方向每1m設置一道加強板PL30×200×600，減少焊接變形。

加強板設置圖

2.3 殘余應力釋放施工技術

首次提出通過應力釋放孔來消除殘余應力的概念，即先對鋼板墻焊接進行施工模擬并結合現場實際的變形情況找出焊接殘余應力集中的位置。在應力集中區域預先開設直徑100mm的應力釋放孔，破壞孔周圍的應力平衡，使應力重新調整，緩解殘余應力造成的變形。待應力釋放完成后再對孔洞進行補強。

殘余應力釋放現場監測

鋼板剪力墻應力釋放孔

2.4 雙面對稱K形坡口焊接技術

采用雙面對稱K形坡口反面清根焊接的對稱焊接工藝；坡口根部間隙調整為2mm，按照“分區進行、每步歸零、單板雙焊、雙板單焊、對稱施工”。

雙人同時對稱施焊接

單人焊接焊道示意

超高層鋼結構安裝計算機模擬技術應用

3.1 結構內力監測系統

結構施工過程的監測系統主要由傳感器系統、數據采集系統、服務器監控系統等幾部分組成。振弦式應變傳感器布置在巨型柱、鋼板剪力墻和伸臂桁架及環形桁架主要鋼構件上。

振弦式應變傳感器 45度直角應變花沿柱軸向布置傳感器

3.2 施工全過程仿真分析技術

運用SAP2000有限元分析軟件，建立單元總數81726個，對整體結構進行一次加載法、近似加載法、分層加載法和精確加載法模擬施工。最終確定最佳的核心筒領先層數在8-12層左右。

核心筒領先施工0、8、12和16層情況下結構的豎向位移云圖

3.3 鋼結構安裝過程變形分析控制技術

巨型柱各個測點應力數值增長較為穩定，符合典型受壓構件特點。各測點平均應力值在10~19MPa，相對穩定，滿足巨型柱施階段程安全穩定要求。

主體塔樓SRC巨型柱測點布置圖

首層巨型柱應力監測結果表

鋼板剪力墻最大壓應力為18Mpa，最大拉應力為5Mpa，應力值低于結構設計值，滿足施工階段安全性要求。

鋼板剪力墻傳感器安裝位置

1、2、3號測點應力發展曲線

4、5、6號測點應力發展曲線

水平加強層采用風荷載作為水平控制荷載，其中K形桁架效果較好，能夠調節外圍巨型柱軸力，剪力承擔能力增強，且對于上下相鄰樓層結構受力影響較小，故本工程采用K形伸臂桁架結構形式。

伸臂桁架有限元模型

3.4 施工階段豎向變形分析和補償

在超高層混合結構施工過程中，混凝土的時間依存特性豎向構件壓應力的差異施、工加載順序以及施工過程中構件長度的調整會導致豎向構件不同的豎向變形。采用通用大型有限元軟件MIDAS/Gen進行81個施工階段結構各樓層的豎向變形。巨柱最大總變形為27.72mm。核心筒剪力墻最大總變形為30.94mm。確定核心筒和外框豎向構件每5個樓層進行長度補償。

SRC巨柱施工技術

SRC巨型鋼柱，25層以下一層一節進行分段，25層至頂層二層一節進行分段。伸臂桁架與巨柱連接節點最大重量達到52.5噸，將伸臂桁架節點進行優化分解。

52.5t伸臂桁架層SRC巨柱節點分解

SRC巨柱在工廠制作完，安裝定型防護平臺，采用動臂塔吊進行吊裝。（巨柱吊裝文件夾）采用全站儀進行極坐標測量定位。

SRC巨柱地腳螺栓安裝主要控制點

連接耳板設置圖

SRC巨柱吊裝圖

SRC巨柱吊裝測量圖

SRC巨型柱安裝

伸臂桁架層施工技術

5.1 伸臂桁架節點設計優化

本工程伸臂結構20~22層貫通鋼梁截面尺寸為□1400×500，48~50層貫通鋼梁截面收縮為□1400mm×300，通過對鋼構件受力特性分析，將接頭形式進行調整，滿足施工和結構安全要求。

采用坡口套筒的方式，加強混凝土結構與鋼結構連接。貫通梁采用一端連接板一端坡口套筒的連接方式，確保結構鋼筋軸心受力。

超高層建筑的核心筒與外部結構的豎向變形差異是必然發生的，特別是當核心筒與帶狀桁架之間設有外伸桁架時，會增大結構的附加應力。本工程采用的連接板滑動臨時固定法，采用高強螺栓臨時連接。

5.2 伸臂桁架高空一次安裝技術

伸臂桁架層的施工進度，將對整個工程的施工部署和安排造成極大的影響，常規工程核心筒貫通鋼梁考慮構件截面大、超重吊裝，選擇一層鋼結構一層混凝土的施工原則。本工程為解決土建與鋼結構的施工穿插和工程進度的矛盾，安裝前采用Midsa/gen進行有限元軟件分析，通過增設臨時永久支撐的方式，滿足核心筒貫通鋼梁的施工狀態下結構穩定性驗算，實現了伸臂桁架層高空一次整體安裝。

貫通鋼梁臨時支撐設置

伸臂桁架鋼結構高空一次安裝圖

伸臂桁架的巨型箱型鋼支撐安裝階段在連接處采用高強螺栓臨時固定，連接耳板螺栓孔設置成橢圓形的長圓孔，待伸臂桁架兩側壓縮變形穩定后再進行焊接連接。

斜腹桿安裝圖

5.3 伸臂桁架焊接技術

伸臂桁架層最大鋼板厚度為100mm，單層伸臂桁架貫通鋼梁現場焊接焊縫總長155.5m，其中板厚100mm的焊縫116m，單條焊縫最長為2.4m。

通過制定合理焊接順序，采取焊接反變形控制和高強螺栓臨時錨固措施，有效控制了伸臂桁架施工的焊接變形。

100mm超厚鋼板焊接施工技術

【……部分采用了100mm厚Q345GJC鋼板，焊接質量控制難度大，工藝復雜】GJC選用藥芯焊絲二氧化碳氣體保護焊的焊接方式，以鋼襯墊單V型坡口焊為主要形式。焊接前對焊道兩側150mm范圍預熱，預熱溫度120℃。焊接順序采用錯層多道錯位焊接，層間溫度應控制在180℃~210℃之間。焊接完成后，同預熱方式對焊件進行后熱消氫處理。溫度加熱至250℃~300℃范圍，然后用巖棉覆蓋，恒溫2.5~3小時再緩冷。