超高层建筑伸臂桁架层结构的施工关键点分析与对策

张书剑

(福建省五建建设集团有限公司 福建厦门 362000)

0 引言

目前，高层、超高层建筑是我国的一大发展趋势。设置于其中的伸臂桁架层，具有增大外框架的抗倾覆力矩，增大结构抗侧刚度，减小侧移等作用，伸臂桁架层的施工质量直接影响结构整体质量与安全。该项目通过采用BIM技术优化钢构件及钢筋安装方式，使各工序间穿插无碰撞，安装快捷，有效缩短工期，且完成质量最优。

1 工程施工难点

课题研究的结构位于该项目的34层及45层，层高5.5 m，楼层高度分别为142.7 m、190.5 m。纵向钢筋最大直径为HRB400 40，钢构件最大钢材厚度达100 mm，其中牛腿单构件最大重量达26 t。生产、吊装、安装、钢筋穿插安装难度较大。

1.1 模型优化

使用Tekla软件，对伸臂桁架层进行建模，如图1所示。对核心筒内墙体钢筋与钢构件交叉施工难题，采取钢梁侧焊接水平钢板取代箍筋及H钢梁翼板间设置竖向连接板的方式，解决了钢筋与钢构干涉且空间过小，无法施工的难题，如图2所示。

图1 伸臂桁架模型图

图2 钢结构节点优化示意图

通过钢结构小组优化，型钢柱及梁每隔400 mm设立端板拉钩，对应放置直径25 mm纵向或横向构造钢筋于拉钩端板焊接，大环形箍筋一分为二或一分为四，降低箍筋重量，同时方便现场施工，如图3所示。相对传统钢结构厂自行深化以及生产模式，公司钢结构深化团队更能充分考虑现场施工便利性、施工周期以及塔吊选型等方面，可大大提高现场钢结构施工质量，节约成本及缩短工期。

图3 箍筋优化示意图

1.2 伸臂桁架吊装总体思路

现场布置有两台塔吊，伸臂桁架采用塔吊高空散装，如图4所示。

图4 现场塔吊布置图

先安装核心筒内桁架，核心筒内桁架安装完成后，移交土建进行混凝土浇筑及爬模施工。等桁架牛腿外露后，开始安装核心筒外伸臂桁架,如图5所示。

图5 桁架分段安装示意图

伸臂桁架采取“先安装钢柱，再安装下弦杆。其次安装竖腹杆及斜腹杆，再次安装上弦杆，最后焊接。按由下及上，先局部后整体”的安装思路，焊接前使核心筒内桁架逐步形成稳定体系。

钢柱GGZ2及GGZ4重量较大且距离塔吊较远，超出塔吊吊装工况。经综合考虑，将牛腿拆分，高空散装，牛腿拆分及节点示意如图6所示。

图6 牛腿拆分及节点示意图

2 施工关键点分析及对策

(1)加工质量要求高。伸臂桁架部分焊接质量较高，工厂焊缝均要求为一级全熔透焊缝。钢柱牛腿较多，节点较复杂，加工组装精度要求较高。部分节点工厂需提前考虑组装焊接顺序，提高焊接质量，较少焊接收缩变形。

对策：工厂应选择合理加工工艺，选择优秀焊工及铆工加工。

(2)34～35层部分伸臂桁架重量较大，但塔吊起重能力有限。

对策：距离塔吊较远位置的核心筒转角异型柱牛腿需散发现场焊接，圆管柱带伸臂桁架斜牛腿段需要增加分段，加大了现场工作量，也增加了现场焊接难度。

(3)现场安装精度要求较高。焊接收缩对构件的位形产生影响，同时坡口的间隙要保证，对安装精度要求高。由于构件板厚较厚，如安装产生误差将难以调节。

对策：带伸臂桁架牛腿钢柱施工前，其下一节钢柱需保证柱顶测量精度；钢柱安装前，核心筒混凝土需浇筑至伸臂桁架下一层，保证下节柱悬臂端稳定；制定合理焊接顺序，较少焊接变形；制定合理测量方案。

(4)焊接工作量大、焊接难度较大：圆管柱材质均为Q345GJC，34～35层圆管柱规格为D1200×60，45～46层圆管柱规格为D1100×50。其中伸臂桁架为Q420GJC材质，板厚分别为50 mm、70 mm、100 mm，焊接难度较大。

对策：设置焊接操作平台，做好防风防雨措施，为现场焊接创造适合的施焊空间与环境，保证焊接质量，避免返工；制定详细焊接工艺方案，按照要求进行焊接工艺评定，以指导现场焊接；对焊接工人进行严格培训、考核，考核合格才能上岗；请公司焊接专家到现场指导焊接。

(5)伸臂桁架位于核心筒外部分连接节点，需等主体钢结构施工完成后才能焊接。为保证焊接质量，34～35层及45～46层伸臂桁架后续焊接位置桁架板需最后施工。

对策：桁架板图纸排版过程中，应将后续焊接节点位置单独排版，焊接节点位置采用单跨板，以便楼承板后续挪动及混凝土楼板施工缝的预留。

3 工艺流程及关键技术

3.1 焊接工艺参数

根据母材材质、结构形式，现场焊接主要采用药芯焊丝二氧化碳气体保护焊(FCAW-G)。伸臂桁架焊接质量要求均为一级，全熔透焊接，100%超声波检测。

3.1.1 焊接顺序

(1)定位焊。正式焊接前先定位焊，焊缝厚度不应小于3 mm，长度不应小于40 mm，间距宜为300 mm～600 mm。采用钢衬垫的焊接接头，定位焊宜在焊接坡口内进行；定位焊焊接时，预热温度宜高于正式施焊预热温度20℃～50℃，宜为150℃左右。

(2)定位焊完成后，先焊接腹板，腹板焊接前预热温度至80℃。

(3)腹板焊接完成后，焊接翼缘板，翼缘板焊接前预热至120℃～150℃。为减小焊接变形，翼缘板焊接采用两人对称焊接。

3.1.2 焊接工艺具体参数

(1)腹板横焊，预热温度80℃，层间温度120℃～200℃。

(2)翼缘板横焊，预热温度120℃～150℃，层间温度120℃～200℃。

3.2 伸臂桁架施工工艺

该项目伸臂桁架采用塔吊吊装，高空散装施工思路。先安装核心筒部分桁架，核心筒混凝土浇筑完成，爬模爬升后，安装核心筒外侧桁架。

3.3 构件稳定、结构体系稳定的方法和措施

(1)核心筒钢柱稳定方法和措施

由于核心筒钢柱重量较大，最大可达21 t。为保证钢柱校正过程稳定，伸臂桁架钢柱安装前，核心筒混凝土需浇筑至33层，如图7所示。

图7 核心筒混凝土33层楼板浇筑完成后开始吊装钢柱

钢柱利用柱端连接耳板和连接板临时固定，校正完成后，钢柱及时焊接。由于钢柱重量较大，重心较高，为保证钢柱稳定，钢柱校正过程中，塔吊全程不松钩，防止钢柱校正过程中倾倒，如图8所示。

图8 核心筒钢柱连接示意图

(2)核心筒内桁架下弦杆及上弦杆稳定方法和措施

水平弦杆通过连接板临时固定，节点如图9所示。

图9 核心筒内上下弦杆临时固定措施

(3)腹杆稳定方法和措施

腹杆上下两端设置耳板，兼做吊耳，使用连接板连接固定，如图10所示。

图10 核心筒钢柱固定措施

(4)现场散装牛腿

位于核心筒转角钢柱重量超出塔吊起重能力。为保证吊装安全，将牛腿工厂加工成散件，现场安装焊接[1]。

牛腿下方设置两块耳板与钢柱通过螺栓连接。钢柱底部使用规格H400×400×13×21热轧型钢做支撑胎架，胎架与下方牛腿焊接固定，上方为自由端。胎架位于牛腿重心正下方，牛腿固定如图11所示。由于牛腿产生较大偏心，可能影响钢柱定位，牛腿安装前应将核心筒内桁架焊接完成。

图11 牛腿临时支撑示意图

(5)核心筒外伸臂桁架下弦杆固定措施[2]

由于核心筒外下弦杆超出塔吊起重能力，需分为两段，高空组拼。采取在下方34层钢梁上，设置规格为H400×400×13×21热轧型钢做临时支撑胎架。弦杆吊装到位后，通过端头螺栓与圆管柱连接固定。然后安装下弦杆短节，下弦杆短节两端使用高强螺栓与钢柱牛腿及弦杆长段连接，如图12所示。下弦杆安装完成后高强螺栓终拧。

图12 钢梁临时支撑示意图

3.4 伸臂桁架焊接

3.4.1 伸臂桁架上下水平弦杆焊接

(1)节点形式:上下弦杆为H型构件，翼缘板厚度100 mm，腹板厚度50 mm，翼缘板对接焊缝为立焊焊缝，腹板为横焊焊缝，节点如图13所示。

图13 伸臂桁架上下弦杆焊接节点

(2)焊接位置：立焊、横焊;

(3)焊接方法：FCAW-G;

(4)预热:采用火焰预热，预热温度为80℃～120℃，层间温度120℃～200℃。预热区及后热区在焊道两侧，每侧宽度均应大于焊件厚度的2倍，且不应小于100 mm。

3.4.2 伸臂桁架斜腹杆焊接

伸臂桁架斜腹杆为H型或箱型构件，立面布置如图14所示，翼缘板厚度100 mm，腹板厚度50 mm。翼缘板对接焊缝为立焊焊缝，腹板为横焊焊缝，节点如图15～图16所示。

图14 伸臂桁架立面布置图

图15 伸臂桁架箱型斜腹杆连接节点

图16 伸臂桁架H型斜腹杆连接节点

(1)焊接位置：横焊、立焊;

(2)焊接方法：FCAW-G;

(3)预热:采用火焰预热，预热温度为80℃～120℃，层间温度120℃～200℃，预热区及后热区在焊道两侧，每侧宽度均应大于焊件厚度的2倍，且不应小于100 mm。

3.4.3 伸臂桁架异型柱焊接

伸臂桁架异型柱位于核心筒4个转角位置，由4块100 mm厚钢板组拼成。每层带4个牛腿，其中2个与斜腹杆连接牛腿现场焊接。异型柱牛腿拆分图、轴侧图、异型柱截面图如图17～图18所示。

(a)异型柱牛腿拆分图(b)异型柱三维轴侧图(c)异型柱截面断面图图17 异形柱牛腿拆分示意图

(a)牛腿现场焊接节点图 (b)异型柱上下段对接节点图18 牛腿现场焊接示意图

3.4.4 带伸臂桁架牛腿圆管柱焊接

圆管柱带伸臂桁架斜牛腿段由于塔吊起重能力有限，分段位置位于牛腿上下各120 mm位置。焊接位置有钢柱牛腿阻挡，焊接难度较大。带斜牛腿圆管柱采用L50×5角钢与钢柱焊接作为临时操作平台支撑，如图19所示，节点如图20所示。

图19 带斜牛腿圆管柱临时操作平台

图20 圆管柱对接节点及坡口示意图

(1)焊接位置:横焊;

(2)焊接方法:SMAW、GMAW;

(3)预热:预热温度为60℃～80℃，层间温度120℃～200℃，预热区在焊道两侧，每侧宽度均应大于焊件厚度的2倍，且不应小于100 mm。

(4)焊接顺序(图21)

图21 圆管柱焊接顺序示意图

①将圆管柱沿耳板分为4个区域分别编号①～④，先由两名焊工在①、③两侧对称焊至板厚的1/3处时，切去耳板A、C。

②然后在②、④侧仍由两名焊工对称焊至板厚的1/3处，切去耳板B、D。

③再由两名焊工分别承担各自的半圆面的焊接。如此反复进行直至完成多层多道焊接。

④每两层之间焊道的接头应相互错开30 mm～50 mm，两名焊工焊接的焊道接头也要注意每层错开。每道焊完要清除焊渣和飞溅，如有焊瘤要铲磨掉，焊接过程中要注意检测层间温度[3]。

3.4.5 墙柱剪力墙钢筋“逆做法”施工

核心筒剪力墙钢筋采用先安装箍筋再接竖向墙筋的“逆做法”。墙筋“逆做法”应在每一道箍筋安装时，控制好后安纵筋的位置保持铅直，且每段墙应设有不少于4根的临时固定竖筋，以定位和保证墙箍筋框架的稳定，待核心筒外爬模爬升高度足够人员操作时，安装纵筋，并确保套筒的扭力矩满足规范要求。

4 结语

本工艺通过BIM技术的使用，对钢构件与大规格钢筋的联结穿插进行优化的方式，解决了一般伸臂桁架层施工时间较长、施工难度大、工期较长、人工成本偏高、质量控制不到位等问题。同时配合工序调整，实现设备与人工效率的提升，具有施工便捷，成本降低，质量可靠等优点，特别适用于高层、超高层劲性结构等设置，有伸臂桁架层的建筑，推广应用前景广阔。