超高层建筑环带桁架与伸臂桁架的施工方法

林兆丰 张浩杰 陈杰青

（中建海峡建设发展有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

超高层建筑结构均采用混合结构体系，以巨型框架-核心筒-伸臂桁架-巨型斜撑结构体系最为常见，其主要由核心筒、巨型柱、外伸臂桁架和巨型环带桁架及巨型斜撑组成。除了巨型柱外，巨型环带桁架承担了建筑物的大部分荷载，一方面与伸臂桁架和巨柱相连接形成加强层，共同抵抗侧向风荷载或地震作用；另一方面，楼层荷载由重力小柱通过环带桁架传至巨柱，起到转换作用。环带桁架是框架核心筒结构的重要组成部分，一般每隔若干层设置1 层或3 层楼高的环带桁架作为加强层，同时也是主框架的巨型梁，而内筒大多为型钢混凝土剪力墙核心筒或内嵌钢板的型钢混凝土剪力墙筒体。为了更好地连系内筒和外框，增强结构的整体性和空间作用，会在内筒和外框之间设置伸臂桁架。本文将对环带桁架+伸臂桁架的施工方案进行介绍。

1 超高层建筑结构的主要特点

（1）超高层建筑的层数多，建筑工程地基的稳定性与承重能力高于一般建筑，需要采用筏式装配结构，提高超高层建筑的稳定性。

（2）超高层建筑的地下室结构较为复杂，在结构设计时，需要预留一定的空间，应对超高层建筑项目地下室出现的反浮问题。

（3）超高层建筑项目施工难度较大，在实际施工过程中需要使用多种建筑施工工艺，如深基坑技术、模架施工技术、钢-混凝土组合施工技术等，要求相关工作人员提高自身综合能力，充分掌握相关的专业知识。

2 超高层建筑结构体系

对于250m 以上的超高层建筑，为加强整体结构的抗侧能力，通常在外框架间设置环带桁架，或在核心筒与框架柱间设置水平伸臂桁架，形成加强层，使得内外筒更好地协同工作，有效抵抗水平作用力。伸臂桁架虽然可借助外框架刚度增大框筒结构的抗倾覆力矩，但也会附带着结构刚度突变等问题，导致结构空间和生产周期发生变化。若想规避这一问题，在规划设计中，应尽可能做到让伸臂桁架位置沿着结构体型及刚度变化规律进行均衡处理，保持伸臂桁架刚度的无限延伸效果。鉴于此，在实际作业中，需要对顶点位移、基本周期、层间位移角、核心筒倾覆力矩及拉力变化等展开综合考量，合理规划伸臂桁架的位置，保持其与结构及刚度间的均衡关系，以满足建筑结构功能需求，完善设计效果，避免因结构或受力不均衡而引起各种事故问题。

环带桁架的设置可有效规避伸臂桁架存在的各种问题，借助楼板变形对外框架承载倾覆力矩的能力加以调节，降低抗侧力体系效率，避免刚度突变问题的产生。这种方法在高度大于250m 的超高层建筑中应用较为广泛，其中核心筒与外框架之间的楼板面内剪切刚度的加强和准确模拟是提高环带桁架抗侧刚度的关键。

3 伸臂桁架与环带桁架相关概述

3.1 伸臂桁架

针对超高层建筑建造过程中存在的结构侧移现象，通常会采用伸臂桁架置于外框和核心筒的接触位置，以提高整个建筑群体的承载力，并相应地提高框架的倾覆弯矩，一定程度上降低结构侧移动的概率，实现框架和核心筒之间的稳定。在设置内筒倾覆弯矩的过程中，需要将位置控制靠下，巩固侧移效果。

3.2 环带桁架

环带桁架的“虚拟伸臂”作用机理与传统的伸臂桁架相似，但是桁架杆件并不需要与核心筒直接相连；相反，沿外围框架一圈的环带桁架（或环带墙）可以充分发挥框架柱的空间作用，并可改善外框的剪力滞后效应。在水平荷载作用下，环带桁架加强层核心筒的转动受到环带桁架加强层楼板的约束，使环带桁架上、下弦所在楼板产生方向相反的移动趋势。由于变形协调，环带桁架弦杆与传统伸臂桁架加强层相比，环带桁架加强层的传力路径较长，对核心筒转动约束较弱，抗侧效率比伸臂桁架加强层低。因此，当主体结构对侧向刚度需求不大时，可采用环带桁架加强层，以减小对建筑使用空间的影响、改善结构刚度及结构内力的突变程度、消除竖向变形差异引起的附加内力。在“稀柱框架-核心筒”结构中，环带桁架在传统伸臂桁架加强层（加强层设置伸臂桁架及环带桁架）与“虚拟伸臂”（加强层仅设置环带桁架）中的主要作用也有所不同。在传统伸臂桁架加强层中，核心筒的倾覆力矩主要依靠伸臂桁架传递到翼缘框架中，环带桁架的主要作用是改善翼缘框架的剪力滞后效应。而在“虚拟伸臂”加强层中，环带桁架是通过对环带桁架加强层楼板变形的约束，将核心筒的倾覆力矩传递到外框，并转换为外框的倾覆力矩。

4 超高层建筑环带桁架与伸臂桁架的施工方法

4.1 Ⅲ代智能顶模系统

超高层智能顶模系统结构组成主要为桁架钢平台、格构柱支撑系统、超大行程液压动力系统、组合钢模板系统、内外挂架及安全围护系统，通过集成塔吊、登顶施工电梯、布料机、模板、挂架等机械及设备的施工平台，为超高层的施工提供一个安全全封闭的操作平台。智能顶模系统整体效果如图1（a)所示，结构分解如图1（b)所示。智能顶模系统具有3 大优点：轻量简便、快速高效及智能安全。

图1 智能顶模系统效果及结构分解

（1）轻量简便。钢平台以3～5 个支点与支撑钢柱连接，相比传统工艺采用数10 个集群支点，少支点平台具备结构适应性强、简便易调、受力明确等优点。钢平台桁架采用薄壁轻质高强钢，采用标准化部件拼接，项目完工后可拆卸循环使用，节约材料。

（2）快速高效。采用长行程（5m 以上）油缸，“顶模”能在4h 内完成一个结构层高的顶升，顶升过程智能液压系统可监控位移、压力数据，自动维持钢平台水平，出现异常状况可自动急停，保证顶升过程安全。塔吊与模架集成于钢平台，可与钢平台同步向上顶升，加快施工进度；模架可灵活调节，能满足墙体厚薄、直斜变化，使用可调高度并能沿轨道滑动的模架吊杆装置，能实现模架施工的有轨作业，降低工人劳动强度。

（3）智能安全。智能安全监控系统可对钢平台的应力、应变、位移、垂直度以及工作面的风速进行监测，提前进行风险预警，保证施工过程安全。安装防屈曲支撑（BRB）耗能装置，地震荷载下通过屈曲支撑（BRB）耗能减震，保证钢平台仍能处于弹性状态，为施工人员逃生赢得宝贵时间。

4.2 柱模板施工

柱模板施工前结合计算软件对螺杆型号、背楞、角铁型号等进行分类。木模板区螺杆设置纵横向间距，背楞小钢架竖向布置间距进行计算，得到合适的施工数据，以保证满足施工安全性的前提下，减少多余的加固，节省材料和施工时间。

4.3 优化梁柱节点位置与钢筋连接

通过BIM 技术三维模拟钢结构异型柱与钢筋绑扎节点施工工况，可以清晰发现钢筋在梁柱节点处的冲突问题。原设计图纸中,钢筋在梁柱节点处均采用钢筋连接器连接。如按传统工艺，牛腿上下翼缘钢筋使用钢筋连接器连接后,柱中钢筋将采用单面10为钢筋直径，下同)或双面5d 进行搭接焊接。为优化施工，经查阅有关图集、规范并结合施工经验,并与设计单位沟通,将原设计钢筋连接方式变更为牛腿上翼缘采用焊接钢筋连接器连接、牛腿下翼缘采用焊接等强度钢板与钢筋搭接焊接连接,达到了提高工效、缩短工期的效果,同时保证了施工质量。

4.4 吊装技术

吊装是钢结构施工的龙头工序，钢结构吊装前应根据结构平面和立面形状、结构形式、塔吊的数量和位置、现场施工条件等因素确定吊装分区与吊装顺序。吊装区域的分配可根据施工区域进行划分，将其分为两个或四个区域等，保障每一个吊装设备得到极大程度的使用。吊装顺序方面，其基本的吊装原则是由内到外、由低到高，先进行底层的吊装，在同一平面内，先进行中心的吊装，然后由中心慢慢向外扩散进行吊装，完成一个平面后，再吊装高的平面，按照同样的道理进行吊装。当完成一个平面的吊装后应及时对本平面的吊装情况进行检查，保障每一个平面吊装技术的完美应用。

4.5 桁架焊接

桁架焊接作需要采用多层多道焊的焊接方式，对于温度把控而言，操作人员可以利用电加热设备，焊接步骤通常是先焊横截面较大的构件，然后再将后期的接口进行焊接完善，才能发挥整个桁架焊接的功能和效果。

4.6 钢筋绑扎

通过以下几种方法降低钢筋制作和绑扎难度：（1）在箍筋时，要将整个钢筋结构设置为平行四边形，不仅可以发挥整个结构的稳定性，还可以在发现结构存在问题时，及时地进行形状的修改；（2）抽筋和插筋工作可以混合应用，但需要做好箍筋位置的更换；（3）操作人员在完成外侧箍筋的工作中，需要考虑到栓钉的影响力，再结合实际的需求和场景时，改变箍筋的形式，将其设置为拉钩形状；（4）要做好钢筋结构的箍筋和拉钩位置设置，确保施工的顺利完成。

5 结束语

超高层建筑一般采用核心筒+框架结构，当结构抗侧力不满足设计要求时，常设置结构加强层来提高结构整体抗侧刚度。本文根据环带桁架与伸臂桁架的特点及适用范围，就超高层建筑结构的加强层的施工方法进行了总结，通过对环带桁架与伸臂桁架的可靠安装，可以保证后续土建工程的开展安全稳定、有序进行，为类似超高层建筑环带桁架与伸臂桁架深化建设提供帮助。