钢框架-钢筋混凝土核心筒结构同步施工技术

钢框架-钢筋混凝土核心筒结构同步施工技术

刘艳梅

浙江固力建筑集团有限公司，浙江省杭州市，310000

摘要：为了提高钢框架钢筋混凝土核心筒结构在地震作用下的协同工作性能及减小结构在竖向荷载作用下的变形差异，可采取以下措施，在钢框架上加设大型斜撑，在钢框架和核心筒之间增设伸臂桁架以及同时增设大型斜撑和伸臂桁架，利用有限元软件完成对比分析，这几种结构形式的协同工作性能，分析结果表明在钢框架上加设大型斜撑可明显提高结构的刚度。框架的剪力分配率更易满足规范要求，框架柱的材料利用效率更高，增设伸臂桁架对整体结构的刚度影响不大，但可有效减小钢框架和核心筒之间的竖向变形差。同时增设大型斜撑和伸臂桁架可显著提高钢框架钢筋混凝土核心筒结构的协同工作性能。

关键词：钢框架；钢筋混凝土；核心筒结构；同步施工

传统的钢框架与钢筋混凝土核心筒施工顺序为，核心筒施工领先于钢框架5～6层，待核心筒混凝土达到设计强度后开始钢框架安装。中部国际设计中心项目地上仅11层，核心筒先于钢框架施工无法满足工期需要，同时核心筒楼板甩筋不利于合模，本文就高层钢框架与钢筋混凝土核心筒同时建造技术的研究与应用进行交流和总结。随着建筑行业地飞速发展，建筑设计外观的多样化、结构设计的多元化也随之而来，建筑结构形态已不仅限于规则的、普通的钢筋混凝土结构，异形核心筒钢板剪力墙，异形外幕墙钢结构等设计形式异军突起，随之而来的是对其施工技术、施工工艺等进行除旧更新。

1钢框架钢筋混凝土核心筒结构概述

钢框钢框架钢筋混凝土核心筒结构将钢框架轻质，施工速度快的特点和钢筋混凝土核心筒抗压强度高，防火性能好%抗侧刚度大的特点有机地结合起来，已被广泛应用于高层建筑中，但一些已有的工程实践和试验研究表明，钢筋混凝土核心筒结构相对来说刚度有余而强度不足，而外框架则正好相反，强度有余而刚度不足，使得这种结构体系在抗震性能上不协调，内筒和外框架无法合理分担地震荷载作用。为了提高钢框架钢筋混凝土核心筒结构在地震作用下的协同工作性能及减小。结构在竖向荷载作用下的变形差异，可采取以下措施$在钢框架上加设大型斜撑，在钢框架和核心筒之间增设伸臂桁架以及同时增设大型斜撑和伸臂桁架。本文利用有限元软件，对比分析了这几种结构形式的钢框架与核心筒之间的协同工作性能&为钢框架，钢筋混凝土核心筒结构体系的设计与应用提供参考。

1.1计算模型

选取一个3层的钢框架钢筋混凝土核心筒结构(作为计算模型或者根据不同的加强措施，在模型V的基础上分别建立了另外3个有限元模型，在钢框架上每5层布置一对_形大型斜撑支柱模型)分别在5M层和3层的钢框架和核心筒之间增设伸臂桁架，并在同一层的钢框架上设置了环向桁架模型，同时增设大型斜撑和伸臂桁架模型，地震作用下的协同工作性能分析本文采用振型分解反应谱法对这6种模型在地震作用下的结构内力和位移进行了对比分析，从而了解各模型在地震作用下钢框架与核心筒之间的协同，工作性能%抗震设防烈度为同类场地设计地震阻尼系数，其中模型8的数据变化周期远远小于模型V的周期阻尼系数，这是因为模型8在钢框架上增设大型斜撑后，斜撑模型和钢筋混凝土结构增加了外框架的刚度，使外框架和核心筒的刚度更为匹配，从而较大程度地提高了整体结构的刚度和设置伸臂桁架和环向桁架后，外框架和核心筒的连接更为紧密#结构的刚度增大，比较模型8和模型W可以看出外框架的刚度增大后，设置伸臂桁架对整体结构的刚度影响不大。

1.2结构侧移

上一段涉及到的两种结构分别为各模型的楼层位移和层间位移角的对比图，一般情况下在钢框架上增设了斜撑的模型和模型之间的楼层位移明显减小，模型结构和模型结构的层间位移角在设置伸臂桁架楼层处产生突变，这是由于伸臂桁架的设置使得该楼层刚度突变，层间整体抗弯能力增大，相关的数据研究给出了各模型顶层位移和最大层间位移角的对比，这四个模型的最大层间侧移角均小于5.0的限值,从具体的实践可以看出，在钢框架增设了大型斜撑的模型对位移的控制效果明显，与具体模型相比顶层位移和最大层间位移角均减小，增设了伸臂桁架和环向桁架的模型，外围框架更多地参与结构整体作用，顶层位移和最大层间位移角分别减小5Ma和53a对比模型8和模型W的位移可以看出，增设大型斜撑后再设置伸臂桁架对结构，结构内力数据分别为各模型的楼层剪力和楼层实践对比数据，在对比了各模型的底部内力分配率后，从后续的数据实验表现可以看出，模型V由于钢框架刚度不足，结构底部的大部分剪力和弯矩仍由筒体承担%框架承担的剪力负荷难以满足行业规范的要求，其中不应小于结构底部总剪力的压力值或框架部分地震剪力最大值的倍(二者取较小者)的要求。在钢框架上增设了大型斜撑的模型的固定模型相比，参考模型由于钢框架刚度明显提高，筒体底部承担的内力均得到较大程度的减小，钢框架的剪力分配率更易满足规范要求外框架柱拉，压形成的力偶矩所占比率增大%结构的材料利用效率更高，从模型的内力分配可看出，伸臂桁架和环向桁架的设置对结构的底部剪力及其分配影响不大，但对筒体底部弯矩有一定的减小，这是因为加强了钢框架参与结构整体抗弯的作用，分别给出了各模型的筒体剪力和框架剪力。由相关的实验可以发现在模型中，钢筋混凝土同心结构体在加强层处容易产生剪力突变，这是因为伸臂桁架会在加强层间的筒体上下部给核心筒结构施加一对近似等值反向的水平力，而增设了大型斜撑的模型结构和模型同心体在斜撑与钢柱相交的楼层%框架柱承担的剪力。

1.3突然增大

竖向荷载作用下的变形差异目前国内外对于框体体系核心筒的竖向变形差异问题研究尚不深入，在高层结构的常规分析方法中，计算模型和施加荷载通常都是按整个结构进行，并不考虑施工的前后顺序，而在结构实际施工中，结构自重是随施工过程逐层增加。随之柱墙产生压缩变形，进行结构施工顺序加载模拟，并计算各种结构模型的竖向变形差异，竖向变形为钢柱5个计算点和筒体0个计算点的平均结果，由于大型斜支撑跨5层设置采用5层为一个施工段，只考虑重力荷载作用。在研究过程中给出了各种模型分别在一次性加载和施工顺序，加载下的竖向变形差，由实践数据可看出一次性加载和施工顺序加载的结果存在较大的差异，缺乏真实性只在钢框架加设大型斜撑的模型，对减小结构的竖向变形差异并无明显效果，加强层的设置加强了结构的协调工作性能，减小了钢框架的竖向变形，增大了筒体的竖向变形，从而有效地减小。

2钢架核心筒同步施工技术研究

2.1传统施工方法的局限

传统的钢框架与钢筋混凝土核心筒施工时，核心筒施工领先于钢框架5～6层，待核心筒混凝土达到设计强度后开始钢框架安装。本项目地上仅11层，由3栋“郁金香”花型塔楼组成，塔楼采用“花型”钢框架与钢筋混凝土剪力墙结构，按照常规核心筒首先施工再进行钢框架施工的方法不利于现场工期控制要求，同时外围钢框架采用钢筋桁架楼承板，楼承板垂直于桁架方向的钢筋需在核心筒部分楼板施工时预留甩筋，不利于钢板剪力墙的合模，同时安全隐患较大。因此传统的钢筋混凝土核心筒领先于钢框架施工的方法不适用于本项目施工。

2.2同步施工技术的研究与应用

项目伊始就决定成立攻关小组解决钢筋混凝土先于钢框架同时施工造成施工进度慢，施工工艺复杂的难题，经过综合研究与分析决定采用花型钢框架-钢筋混凝土核心筒结构同时施工的工序，经过结构受力软件分析，咨询专家、与设计单位沟通，先后解决了“花型”外展及收缩过程中梁柱受力问题，形成了“花型钢框架-钢筋混凝土核心筒结构同时施工建造工法”的完整工艺。花型钢框架外围钢柱均为斜柱，花型外展时斜柱通过钢梁与核心筒钢板墙连接，如何保证结构体系稳定，是施工的关键，同时花型收缩过程中核心筒为纯混凝土剪力墙，钢梁通过预埋与剪力墙连接，在施工工程中预埋件无法受力，如何保证钢梁与钢柱连接段高强螺栓不受剪，楼板浇筑过程中钢梁不下挠，以及桁架楼承板与木模板接触面拼缝严密型的研究和探索，通过对钢板剪力墙封闭环的加固，以及钢梁的临时支撑，并对楼承板与木模板的搭接确保了结构的安全性及施工质量的可控性。

2.2.1主要技术难点

1）斜柱对接焊缝受剪，不利于结构安全，安装就位需及时通过钢梁与核心筒钢板剪力墙连接。2）钢板剪力墙不封闭，一边受力容易造成墙体变形。3）钢梁预埋件无法受力，易造成钢梁下挠及固定端高强螺栓剪坏。4）桁架楼承板如何与木模板搭接位置已出现薄弱点不利于混凝土浇筑。

2.2.2解决方案

1）斜柱安装前先完成核心筒方向的钢梁安装。2）通过增加型钢拉结梁使钢板核心筒形成封闭箍。3）钢梁悬臂段增加临时支撑，保证钢梁不下挠，高强螺栓不受剪。4）楼承板与木模板搭接位置用钢管支撑加固。

2.2.3主要技术措施

根据目前现状和理论，通过结构计算软件验算斜柱自重对对接焊缝受剪的影响，钢板剪力墙形成环形封闭箍需要增加钢梁的位置、数量及截面大小，与设计单位人员保持沟通，通过验算，此方案符合现场施工参数，设计院出具计算书。1）使用Tekla软件对核心筒钢板墙及外钢框架进行建模，通过模型对构件进行深化设计。2）钢框架外侧钢柱为斜柱（向外倾斜），通过钢梁对钢柱进行拉结，转换至中间钢框柱再转换至核心筒钢板墙暗柱上。因核心筒混凝土未浇筑，抵抗侧向力差，为增大核心筒内的钢板墙、暗柱、暗梁的整体稳定性适当进行加固。3）钢框柱内斜对内侧钢柱受力小，核心筒内无钢板墙，因核心筒混凝土未浇筑，内侧钢柱同核心筒之间的钢梁需要增设临时支撑，钢梁通过预埋件与核心筒连接。

2.2.4施工要点

1）钢板墙之间增加连梁，形成封闭箍。原设计图纸中，两根型钢柱之间的部分连接梁为混凝土梁，为了让核心筒钢骨架形成较为稳定单元，增设型钢梁，形成“封闭箍”，2）外框架梁柱进行安装，钢梁直接跟核心筒内的型钢柱连接。3）外框架钢柱、钢梁安装完成后，核心筒内钢筋绑扎，模板支设，同时开始楼承板铺设，楼承板与钢板剪力墙之间的搭接节点。4）梁下临时支撑设置。因核心筒混凝土没有浇筑，预埋件与钢柱间的梁还无法承担自重及上部荷载，需要在核心筒与钢柱间的钢梁下方设置临时支撑。钢梁与预埋件刚接完成，预埋与核心筒钢筋固定完成，核心筒区域可以进行封模。5）钢梁与核心筒预埋件铰接，预埋件与核心筒钢筋固定。

3同步施工技术总结

3.1创新与突破

1）核心筒与钢框架同时施工有利于缩短工期。2）核心筒与钢框架同时施工，核心筒无须搭设外架。3）核心筒与钢框架同时施工，避免核心筒楼板甩筋造成合模困难。4）减少施工缝，有利于结构安全。

3.2经济效益分析

1）工期成本：优化后的施工工艺方法每栋楼施工工期为节约工期60天，按3栋塔楼施工计算：60×3=180天。2）人工成本：按照每工日200元计算，每栋楼需要工人60人，共可节约2160000元。3）管理成本：项目及劳务共安排管理人员40人，按每天250元计算，共可节约1800000元。4）核心筒甩筋合模及二次浇筑凿毛成本：每层人工10人，每工日200元计算，3栋塔楼，每栋11层，共可节约66000元。合计节约成本402.6万元。

结语：

综上所述，通过高层钢框架—钢筋混凝土核心筒结构同步施工技术的应用，节约了工程施工成本，缩短整个项目的建设工期，取得了较好的经济效益和社会效益。因此，本技术具有一定的推广价值。

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作者简介：刘艳梅（1986.2.13）女，汉族，黑龙江省拜泉县人，学历：研究生，专业：建筑与土木工程，研究方向：建筑结构，职称：工程师。