两端非同步沉降刚支座的巨型钢剪桁架施工技术

中亿丰建设集团股份有限公司 苏州 215131

1 工程概况

现代传媒广场位于苏州工业园区湖东，占地约37 749 m2，项目地上建筑约22万 m2，地下3层约10万 m2，由世界著名的日本日建设计株式会社担任建筑设计顾问。本工程有四大功能不一的单体组成：办公楼、演播楼、酒店楼、商业楼。其中办公楼高度为214.8 m，主体结构为混凝土核心筒+外钢框架组成的混合结构，演播楼高度51 m，主体为多层钢框架结构，连接办公楼和演播楼的是位于4层（18.2 m）和8层（42 m）之间高24 m的巨型钢桁架，钢桁架跨度34.5 m，钢桁架在中部和靠近演播楼侧均有钢板剪力墙。巨型桁架水平杆件（钢梁）多为H型钢，竖腹杆（梁上柱）多为箱型构件，钢结构质量逾2 300 t（图1）。

2 施工难点

（a）巨型桁架两端固定在不同高差的建筑单体上，由于2 个单体高度和自重相差很大，因此沉降速率也有较大差异。选择合适的桁架施工介入期就尤为重要。

图1 办公楼结构及巨型桁架示意

（b）巨型桁架在施工过程中，两端非同步沉降还在继续发展。如果能在施工过程中消除由于两端非同步沉降产生的应力，那么对结构安全是非常有利的。

（c）桁架中有钢板剪力墙，部分剪力墙有矩形洞口。选择合适的时机进行剪力墙的施工，避免剪力墙在施工阶段就由于两端非同步沉降而承受较大剪力。

（d）桁架两端均为刚接，两端非同步沉降，温度变化等使得桁架会产生很大的内应力，因此选择合适的合拢时间和卸载时间是很重要的。

3 施工模拟及分析

3.1 数据收集及沉降分析

在两端非同步沉降刚支座巨型钢剪桁架的沉降差附加应力消除分析前，需对桁架下部楼面的施工荷载要求、沉降缝位置、桁架下部混凝土梁柱位置、桁架两端沉降观测值、牛腿位置误差等数据进行收集。

桁架施工的合理起始时间应综合考虑相连办公楼在连接层的变形，该变形包含基础沉降和施工过程中引起的办公楼自身的竖向变形，可结合施工前的沉降观测数据和办公楼的施工过程分析对可能的竖向变形进行预估，以此作为沉降差附加应力消除分析的依据。

预测沉降变化的方式为采用结合CEB-FIP1990规范的规定及现场施工进度，自然环境等因素建立CEB-FIP1990混凝土模型，对混凝土模型进行模拟施工加载，以此方式对桁架两侧混凝土结构的竖向变形进行分析。从而得出各楼层的竖向位移随施工进度的变化情况。

从竖向位移随时间的变化曲线（图2）中可以看出，各构件的竖向位移随着施工时间的增长而逐渐增加，而且构件所处的位置越高，其增加幅度越大。

图2 施工阶段竖向位移模拟结果

分别以办公楼施工到20层、30层作为桁架起始施工时间，桁架连接区域塔楼柱在桁架施工阶段的竖向变形见表1。可见，在塔楼施工到20～30层之间开始桁架的施工，桁架连接区域柱的最大竖向变形介于1.42～2.86 mm之间。

综合上述分析，施工阶段与桁架连接的塔楼柱的总变形量介于3.42～5.62 mm之间。在实际施工中，考虑竖向变形，可以在办公楼主楼施工至20层以上时进行巨型桁架的施工。

表1 桁架施工阶段塔楼柱竖向位移

3.2 沉降观测

从2013年5月28日到2013年12月19日期间桁架区域的基础沉降量如图3所示。可见，桁架区域基础沉降呈现趋缓的趋势。桁架开始施工时，两测点的沉降速率分别为－0.023 mm/d、－0.017 mm/d。桁架安装周期为120 d，按照上述沉降速率，基础沉降量为－2.04～－2.76 mm。

图3 桁架区域的基础沉降量

3.3 关键节点分析

桁架梁梁连接节点构造如图4所示。为消除桁架合拢后由于沉降所产生的内应力，经过专家指导，在巨型桁架中部1/19轴～20轴所有钢梁的拼接节点上下翼缘暂不焊接，腹板用高强螺栓初拧作为临时连接。这样做的目的在于可以在安全的前提下，尽可能地将桁架最终合拢的时间延后，使得两端的单体有充足的沉降时间，把沉降差尽可能地消除在施工阶段。待钢桁架全部施工完毕，沉降均匀后再调整螺栓连接板，将螺栓替换进行初拧，并且终拧，最后将钢梁上下翼缘焊接。

图4 桁架梁梁连接节点示意

4 施工重点技术

4.1 巨型桁架安装思路[1,2]

搭设临时支架至4层，原位拼装16-2/21轴～P-J轴巨型桁架安装至8层（一区），待桁架形成后，安装二区桁架至6层（1/19-20轴），然后安装三区钢梁和梁上柱至6层，以后二区和三区按梁柱框架结构逐层往上安装，至8层结构全部完成后形成巨型桁架，验收合格后支撑卸载拆除。巨型桁架安装分区，见图5。

图5 办公楼巨型桁架安装分区示意

4.2 巨型桁架临时支撑体系[3,4]

办公楼巨型桁架采用高空原位形式，中间需采用临时支架临时搁置，临时支架采用拆装方便的专用支架支撑。临时支架采用格构式2 m×2 m×1.5 m（长×宽×高）的标准节对接形成。大桁架下弦（4层钢梁）搁置在支撑顶部，标高为16.52 m，支撑下部支承在首层混凝土梁上。临时支架放置时，与轴线成45°，这样临时支架的支腿可以支承在混凝土大梁上，临时支架下端支腿支承在钢板上，钢板与混凝土楼面用膨胀螺栓固定。临时支撑四周设置脚手架，脚手架每间隔5.4 m设置抱箍与临时支架连接，将临时支撑与脚手架相连接形成稳定结构。

临时支架顶部采用可调节支座。可调节支座一般由沙漏支座及千斤顶支座等形式。虽然沙漏可调节支座的调节精度较千斤顶支座低，但不会出现漏油、卡死等隐患，因此施工时一般选择沙漏可调节支座。

沙漏式可调节支座是根据在沙漏侧面打开开口，利用沙漏内的流出细沙减少容器内的体积，使细沙上面的垫块标高下降的原理设计的。沙箱侧面距下垫板20 mm处设置螺丝口，然后拧上螺丝，螺丝Φ20 mm，它是沙子流出时的开关。垫块用直径略小于圆管沙箱直径的无缝钢管制作，加工好后在钢管中灌注混凝土，待达到强度后即可使用。沙漏工作原理，见图6。

图6 沙漏式可调节支座工作原理

4.3 桁架合拢线

在跨中剪力墙位置设置合拢线，即跨中钢剪墙和钢剪桁架弦杆轴向的连接用高强度螺栓作临时连接，跨中钢剪墙和钢剪桁架弦杆上下翼缘临时点焊固定，待结构稳定后再进行焊接。

合拢线的选择要事先要通过精准的计算和分析来确定，避免出现在应力集中和突变的地方。钢桁架施工过程中通过只对梁-梁连接节点腹板螺栓进行初拧，减小施工过程中办公楼楼主体位移对桁架的影响。螺栓在初拧状态下的连接节点可简化为半刚性连接节点，并忽略螺栓与连接板之间摩擦力的影响。

在主楼核心筒施工至35层和外围钢结构施工至28层以上时，合拢带中1/19轴～20轴钢梁腹板用高强螺栓替换终拧，钢梁上下翼缘焊接固定。剪力墙板可与钢柱同步安装，作临时固定，待主体结构封顶后焊接。

4.4 桁架卸载

卸荷过程中总的原则是：要充分考虑到钢桁架系统受力——接近自由状态下增加荷载，同时要求桁架卸荷。钢桁架卸荷采取统一卸荷。在钢桁架系统整体卸载前，应先测量各支撑点的标高。卸载要在1 d内完成，并于12 h后进行整体观测。

在卸载时桁架两边各架1 台水平仪，随时对主桁架变形进行观测。同时根据结构的受力特点，合理的布置监测点，在关键部位粘贴应变片，通过应片监测在卸载过程中桁架应力、变形情况。

4.5 施工过程监测[5-8]

尽管采取了各种施工措施，但是由于1/19～1/20轴之间的钢梁非完全脱开，其紧固程度缺乏量化控制，施工时不均匀沉降所产生的内力难以精确估计。同时，不均匀沉降对临时支撑以及对塔楼、演播楼相连结构的影响也不明确。

为确实保证施工安全可靠，需对施工过程进行监控。共请了两所高校的钢结构研究所对巨型桁架和钢板剪力墙进行了施工过程的全程监测，重点是受力较大的桁架梁柱，钢板剪力墙以及剪力墙洞口可能应力集中的部位。此次监测采用了先进的光栅光纤应变计，可以测定从初始状态开始任何时间段的应力变化情况。这种监测产生的数据具有连续性，准确地反映了整个施工过程中桁架应力的变化情况。

在数据采集后，经过对数据的整理、分析，可以得出桁架应力变化的情况。经实际监测，桁架杆件的应变均小于理论分析值，表明施工中桁架状态正常。