高层建筑大跨度钢结构连廊施工技术研究

高层建筑大跨度钢结构连廊施工技术研究

孙承楼

中国建筑第二工程局有限公司，辽宁沈阳  110000

摘要：随着科学技术的高速发展,大跨度钢结构工程的安装施工已经不再是难题,文中结合某工程实例针对该问题进行探讨,在详细了解工程实际情况的基础上设计钢结构连廊施工方案,做好关键的提升施工｡

关键词:高层建筑;大跨度钢结构连廊;施工技术

1连廊结构设计特点

1.1扭转效应

与其他的体型结构相比,连廊结构的扭转振动变形比较大,这使得该结构形式的扭转效应非常明显,设计中必须特别给予注意｡通常情况下,在风荷载或是地震荷载作用下,结构本身除了会产生出一定平动变形之外,也会产生出扭转变形,而扭转效应则会随着连廊两侧的主体结构不对称性的增加而进一步增大,即便是如本项目的两侧对称的连廊结构,连廊楼板发生变形后,也有可能引起连廊两侧2个主体结构的相向运动,此时这种振动形态也会随之变得更加复杂,相应的扭转效应就会更加明显｡

1.2竖向地震力效应

在带有连廊的建筑结构当中,连廊之所以是较为重要的部位之一,是因为它的受力也相对比较复杂｡因为连廊部分不但要协调两端结构主体的变形,从而在水平荷载的作用下需要承受较大的内应力,同时,对于大跨度连廊,除了会受到竖向荷载的作用之外,竖向地震作用对连廊结构的影响将十分明显｡为了确保结构的安全性,设计时,应当充分考虑竖向地震作用的影响,这一点在实际设计过程中必须予以特别关注｡

1.3连廊两端结构的连接方式

连廊结构与两端主体结构的支座连接是整个结构设计中最关键的环节,若处理不当,会使结构的整体安全性受到严重影响｡连接处理方式通常都是按照建筑方案与实际布置情况进行确定的,主要包括:刚性连接､柔性连接､铰接连接以及滑动连接等｡由于每一种连接方式的处理方法均不相同,所以都需要进行详细的分析和设计,确保结构的整体稳定性｡

2高层建筑大跨度钢结构连廊设计要点

2.1结构选型

主体设计中,需要做好连廊钢桁架的选型工作,目前经济性及合理性最好的结构形式是采用钢桁架结构,设计中要对不同的钢桁架模型方案进行对比｡在对比过程中,应重点考虑结构设计中,空间感是否充足､造价成本控制是否合理和施工作业难度问题｡在连廊结构中,应关注弦杆和腹杆结构位置,并且对相关结构角度进行控制,以斜腹杆角度为例,应保持在45°,促使内部结构稳定性能达到最佳｡通常设计过程中,会对腹杆和玻璃幕墙进行位置关系确认,以H型设计方案对钢桁架弦杆进行设计。高层建筑连廊设计中,应重点考虑弦杆与腹杆的位置,对相关结构的焊接质量和技术应用标准进行规范,保持连廊设计质量,提升建筑结构整体安全性能｡同时,设计过程中,应关注桁架和楼板设计规范,对其中存在的技术问题进行分析,并且采取先进设计理念和质量控制措施,提升主体结构稳定性｡

以某连廊项目施工为例,采用了钢桁架进行设计,连廊首层和屋面层的纵向梁为主要受力结构,主桁架的高度设计在16m,跨度达到80m,其中利用腹杆将桁架平均分为6个节间,节间长度控制在14m,桁架斜腹杆共计跨越三个楼层,并且其中间结构无节点,具有空间结构大的设计优势｡同时,保持楼层梁主结构与直腹杆相连,提升了整体结构稳定性｡应用该种设计方式,可利用支座弦杆,将承载力传递给支座结构,使得各部分受力均匀｡因此,钢结构连廊受力合理､结构位移较小,并且节点数量也较少,但是,其造价成本相对较高,需要对设计方案进行优化,满足成本控制要求｡本项目钢结构连廊设计中,对钢桁架施工模型设计如图1所示｡

2.2楼板设计

楼板设计中,不仅需要对结构刚度和强度进行控制,还应考虑舒适度问题｡在《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)第3.7.7条中规定“楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz”,同时经试验证明,人体感到舒适的频率范围为4~12Hz｡例如,在某高层连廊设计经计算竖向振频在2.6Hz,未达到规范舒适度要求,因此设计将楼板厚度增加到160mm,并根据高层建筑结构设计要求,对楼板的浇筑设计做出严格要求,以双层双向配置方案,对钢筋网进行设计,同时保持钢筋配筋率大于0.25%｡鉴于工程项目业主方提出的具体要求,为减轻高层建筑自身重量,以轻骨料混凝土材料对楼板进行设计,使得楼板整体竖向第一自振频率达到3.9Hz,满足第一自振频率这一要求,与《技术规程》中楼板设计舒适度要求相一致｡

2.3节点控制

连廊两端结构在温度､风荷载和地震力等因素的影响下,会发生水平方向上的位移变化｡由于上述问题存在,需要对连廊节点进行控制,确保连廊结构主体位置保持独立状态,不会受到影响｡在节点控制方案的选择上,以铰接连接和滑动连接为主,连廊一端为铰接连接,另一端则为滑动连接｡实践设计中,倘若对滑动支座设计不够规范,未能采取节点控制方法,对滑动方案进行优化,则很大概率出现斜撑问题,对连廊结构稳定性造成影响｡为有效改善这一现象,需要对地震作用力进行合理分配,确保整体设计方案科学有效｡设计中,连廊两端支架结构可提供横向和竖向承载力,对水平位移控制应考虑滑动结构和主体框架的弹塑性｡根据高层建筑大跨度钢结构抗震要求,应控制结构弹塑性最大位移值在140mm之内,并且连廊滑动支架设计参数也应在合适范围内,通常情况下,连廊最大竖向支撑力为1500kN,转向位移的最大弧度应不超过0.02rad｡同时,在节点控制方面,应对抗震缝进行严格规定,根据我国高层建筑抗震设计要求,抗震缝应大于100mm,这也是连廊两端位置与混凝土主体结构之间的预留空间｡

此外,也应控制腹杆､弦杆和楼板之间的相对位置,对滑动支座进行设计,使得节点连接控制更加有效,需要重点加强连廊节点的控制｡滑动支座类似于铰接,其主要作用在于提高连廊结构稳定性｡值得注意的是,铰接不传递弯矩,但提供横向和竖向的约束,因此在设计过程中,需要重点考虑节点控制问题,选择合适的节点设计方案,并且对连廊结构的抗震性能进行严格要求,满足建筑物连廊结构预期设计要求｡在连廊滑动支座设计中,为提升稳定性,也应考虑地基变动因素带来的影响｡采取合适的控制方案,对连廊两端节点位置进行优化,达到设计图纸和业主方要求｡

3提升施工

连廊结构的提升施工流程具体如下:首先拼装高层构架,安装提升架,将提升器用吊机安装于提升架上,连接桁架下吊点及提升器钢绞线｡于提升单元面外刚度较大处设置提升吊点,并做好局部加强措施;提升过程中提升单元始终处于弹性状态,为保证单元面外刚度,提升单元各层间要设置临时系杆支撑,避免提升单元发生变形过大或者强度破坏等问题｡其次,分级加载提升器,高层架构整体提升脱离拼装胎架100mm后调平暂停提升,锁紧液压缸,并将钢桁架停至空中静止12h｡再次对提升架､下吊点､钢桁架等结构的变形情况､受力情况进行检查,检验合格后再进行整体同步提升｡最后,启动平移油缸及泵站,缓慢顶推提升器底座直至高层架构顶推至设计位置,卸载落位,并安装补杆件｡作为钢结构连廊施工的关键步骤,连廊提升施工要注意以下几个方面:

(1)为保证结构在提升施工过程中保持平稳,施工过程中对其结构姿态进行微调,要保证吊点油压的均衡性,并采用同步位移控制､卸载分级就位的策略｡为测量提升作业中保证各液压提升器的同步性,提升施工中每台液压提升器均单独设置行程传感器,以保证整个提升施工同步进行｡各吊点处液压提升系统的伸缸压力要逐渐､缓慢增加,先采用计算机仿真软件将各吊点的反力值计算出来,再分8级进行加载,第一级先加载20%,第二级为40%,第三级60%,第四级70%,第五级为80%,加载五级后确认无异常,则继续加载第六级90%､第七级95%,直至加载至第八级100%连廊脱离拼装胎架｡当连廊与胎架脱离到约150mm左右的高度后将提升设备锁定,悬停空中12h,经过全面检查确认无异常后再进行正式提升作业｡

(2)正式提升至700mm后再次暂停作业,对各吊点与地面的高度距离进行检测,计算相对高差,根据计算结果微调液压提升系统对各吊点的高度,以保证连廊保持水平状态｡连廊姿态调整完成后位移传感器要立即复位,起始位置以微调后的吊点高度,后续的提升作业要一直保持该姿态直至连廊构件就位｡连廊提升至固定位置后暂时悬停空中,各吊点再利用提升设备进行调整,保证各层弦杆达到设计标高要求,利用倒链调整水平方向｡微调后连廊继续保持固定的空中姿态安装杆件,直至整个连廊结构形成一个整体的､稳定的受力体系｡此时即可同步卸载液压提升设备,将各种临时措施､提升设备等全部拆除,连廊结构的整体提升安装作业完成｡

(3)提升作业施工过程中要注意两个问题｡一是合理控制提升速度,提升速度控制在10~12m/h,具体可根据液压泵源系统的工作状况､辅助工作的时间等进行微调,但不可超出该速度范围｡二是要合理控制提升作业的稳定性,提升作业时要采用液压整体同步提升的措施,合理调整液压设备的压力､流量,对起动､制动的加速度进行严格控制,最大程度上保证下连廊结构及临时支撑结构在提升过程中的稳定性｡作业过程中要安排专业技术人员实时观测连廊的偏移量,尤其是大风天气如果偏移量大于安全范围,则要及时停止作业,并用钢丝绳连接连廊四角及邻近的主楼结构,控制连廊结构水平摆动不超过安全范围,保证提升作业的安全性｡

4施工注意事项

(1)本工程涉及到的型材种类多样,工艺难度较大,对焊接作业要求较高,针对这一问题,施工作业时可采取下列措施进行改善:焊接作业需要组织专业能力强､技术经验丰富的焊工进行;联合应用红外线､测温仪等辅助设备控制焊接时中道间温度,焊接前后做好加热及保温措施,避免出现焊接质量问题｡焊接前结合结构的实际情况做好焊接工艺检测及评定,施工过程中加强电焊作业质量控制,焊接完成后要请具备资质的检测单位探测焊缝及探伤,做好平行检测,最大程度上保证焊接质量｡

(2)本工程中由于桁架主体跨度大､结构复杂,提升作业时连廊结构与提升支架可能会存在多个碰撞点,针对这种情况,可以采用大量的后置杆件｡此外,本工程还需要采用大量的高空补缺杆,构架与主体结构距离较远,无形中加大了高空操作的难度｡针对这种情况,可在提升平台上设置滑轮组,通过卷扬的方法吊装后补杆件,再进行高空安装,使操作更加便利,能够根据现场实际情况进行灵活调整｡此外,施工前要做好施工方案的编制及审核,保证施工技术方案的可操作性｡

5结论

综上所述,通过对高层建筑大跨度连廊结构设计思路分析可知,在设计过程中,应重点加强主体结构选型､楼板设计和节点控制方案,注意结构扭转效应和竖向地震力的整体复核计算,保证连廊的稳定性和可靠性,合理控制水平位移､提升结构本身的抗震性能,使得连廊结构设计更加经济可靠｡同时,本文对相关控制方法的分析,可显著提升连廊设计与施工水平,促使设计方案满足业主方合同需求｡

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