东莞国贸中心T2塔楼建筑高度428.8m, 为钢管混凝土外框柱+钢筋混凝土核心筒 (内置钢板) +伸臂桁架+腰桁架多重抗侧力结构体系, 该结构体系由局部内置钢板+内置桁架钢结构或十字形钢骨柱的钢筋混凝土核心筒、连接核心筒与外框柱的伸臂桁架杆、约束结构变形的腰桁架杆及楼层水平结构钢梁、钢筋桁架楼承板组成, 如图1所示。

本项目共设2道纵跨2层楼的伸臂桁架层, 分别位于31～32, 60～61层, 将核心筒与外框钢管柱通过V形构造在4个角部采用8根组合型矩形钢梁进行连接, 外框柱间通过腰桁架连接, 形成稳定的整体。腰桁架最大截面为H850×850×60×60, 伸臂桁架最大截面为□1 600×600×120 (80) , 材质均为Q345C。伸臂桁架层如图2所示。

应用智能顶升钢平台施工技术, 结构采用不等高同步施工作业, 核心筒施工先于外框柱, 故在伸臂桁架层核心筒4个角部劲性钢骨柱与伸臂桁架的连接采用带牛腿铸钢件与伸臂桁架杆焊接, 待外框结构施工至该楼层时, 再按照从下撑杆到上撑杆的顺序在高空进行伸臂桁架安装。核心筒竖向结构施工完成后, 由于铸钢件牛腿尺寸突出墙面较小, 且伸臂桁架焊接离墙体太近, 现场焊接难度增加。同时由于焊接温度高, 易造成混凝土损伤。因此, 合理优化伸臂桁架部位节点可保证现场伸臂桁架安装, 焊接方便, 同时伸臂桁架不与智能顶升钢平台相互干涉是伸臂桁架层施工的重要控制点。

伸臂桁架层复杂节点施工难点为:铸钢件部位钢筋绑扎及模板安装, 伸臂桁架分段深化加工;超厚钢板焊接处理及临时加固;腰桁架深化与安装。

应用BIM技术对各道工序进行优化, 以第1道伸臂桁架层施工为例, 分析常见问题及解决措施。

智能顶升钢平台顶部主次桁架设计之初与伸臂桁架层施工安装的碰撞不可避免, 于是在主次桁架设计时将该部位设计成可拆装型钢梁, 采用螺栓连接。核心筒铸钢件安装时, 将智能顶升钢平台主次桁架与铸钢件碰撞部位拆除, 不影响整个钢平台的使用安全, 同时避免钢平台顶升与铸钢件相互干涉。针对铸钢件与挂架系统碰撞干涉问题, 将挂架翻板设计成水平推拉翻板, 铸钢件安装及钢平台顶升时将翻板拉起, 保证该部位不影响顶升。

根据工艺要求, 为防止现场焊缝离混凝土墙体太近, 伸臂桁架应做好分段处理, 靠铸钢件段与铸钢件在工厂焊接完成, 并在现场进行整体安装。同时, 为满足顶升要求, 钢平台与核心筒结构不得存在干涉, 尤其是伸臂桁架突出墙面部分, 若突出尺寸过大, 不仅不利于钢结构施工, 还可能由于伸臂桁架自重过大导致位置发生偏移, 从而影响伸臂桁架安装。故将伸臂桁架合理分段既能防止伸臂桁架焊接离墙面太近, 又能满足顶升要求, 同时也能保证钢平台顶升后伸臂桁架的安装及焊接质量。

为保证T2塔楼伸臂桁架层顺利施工, 应用TEKLA, AUTODESK, SAP2000等软件, 借助BIM技术提前对施工中可能存在的交叉点及复杂节点进行处理, 找出可能出现的冲突点, 寻求最优解决方案, 进而指导钢结构分段分节及该部位钢筋制作与安装, 除考虑构件运输、堆放、吊装等问题, 还需考虑构件对钢平台顶升及水平钢结构安装的影响。

根据结构自身形式及现场安装特点, 在第1道伸臂桁架层区域 (30层至32夹层, 含上下变化层) 将钢平台顶升与钢筋绑扎、钢结构安装焊接及铝合金模板升降施工顺序进行合理组织, 保证伸臂桁架层顺利施工。本工程29层墙体高4.3m, 30层墙体高5.1m, 31层墙体高5.2m, 31夹层墙体高4.3m, 具体施工组织方式如下。

29层外剪力墙钢筋为4排, 30层外剪力墙钢筋变为6排, 且位置与下层钢筋不对应, 因此需要插筋, 插筋时注意钢筋间距及位置, 保证不与上部桁架钢结构栓钉及缀板碰撞。顶升前30层墙体钢筋绑扎高度<2.5m, 保证上部钢结构安装、钢筋绑扎、下层混凝土拆模及钢平台顶升质量;顶升后模板放下2m, 进行墙体周围钢结构吊装及焊接, 然后进行核心筒内侧墙体钢筋绑扎及板筋预埋, 待钢结构提供作业面后进行外侧剩余部分钢筋绑扎工作, 并完成封模。30层墙体工作面移交顺序为:模板降模→钢构吊装及焊接→钢筋绑扎→模板提模、封模→混凝土浇筑。30层墙体施工立面如图3所示。31层至31夹层墙体工作面移交顺序为:钢筋绑扎→钢平台连续顶升2次→模板提模、封模→31层墙体混凝土浇筑→钢构吊装及焊接→钢筋绑扎、拆模→顶升、封模→31夹层墙体混凝土浇筑。31层墙体施工立面如图4所示。

伸臂桁架层钢筋施工节点复杂, 钢筋节点处理时应用BIM技术进行模拟, 优化钢筋布置, 出具三维施工流程图指导钢筋绑扎。钢筋施工主要受铸钢件部位牛腿影响, 箍筋制作及绑扎难度大;腰桁架钢结构部位受缀板及栓钉影响, 纵筋定位准确性要求高。

针对上述问题提出以下解决措施: (1) 在铸钢件部位通过下部墙体画线做好铸钢件部位钢筋插筋, 平行四边形箍筋按要求制作, 不规则箍筋改为拉钩; (2) 桁架钢结构部位做好钢筋插筋, 错开缀板位置, 两缀板间箍筋采用外设封闭箍、内设拉钩的构造; (3) 外侧受栓钉影响部位的箍筋改为拉钩; (4) 桁架钢结构间1m高范围内设置箍筋及拉钩, 利用钢平台挂架设置跳板, 由人员进入钢板间绑扎钢筋。

由于墙体高度发生变化, 需在原模板基础上接长模板或拆减模板。铝合金模板设计阶段需对模板高度进行合理设计, 4.3m层高部位模板设计高度为4.5m, 加上部角铁后总高度为4.6m, 可用于4.3～4.5m高楼层施工。对30, 31层模板进行加高处理, 加高700mm, 满足层高要求。模板间采用销钉与螺栓进行连接, 在模板上下对称设置孔, 为方便施工, 在下侧接长模板, 接长部位采用螺栓及销钉与上部模板整体连接。连接部位设置水平背楞, 受力满足要求。

铸钢件与伸臂桁架连接部位突出墙面, 牛腿部位不平整, 无法采用铝合金模板封模, 故在铸钢件部位将铝合金模板拆下1 100mm宽, 采用木模板+木枋进行加固, 使其与铝合金模板同厚, 铸钢件底部采用原铝合金模板作为背楞, 铸钢件部位采用双钢管作为背楞, 为保证铸钢件中间部位混凝土成型效果, 采用内撑外拉的方式进行加固, 焊接短钢筋头作模板内撑, 短钢筋头焊在两端, 沿高度方向每隔400mm焊1道, 共焊3道, 外拉采用内侧焊接带对拉螺杆钢筋头固定, 外侧设对拉螺杆, 保证铸钢件部位混凝土不偏位。

由于桁架层钢结构构件板厚较大, 分段时考虑的主要因素为塔式起重机起重能力及构件运输;次要因素包括现场焊接、板材拼接等。由于核心筒施工采用智能顶升钢平台系统, 受该平台影响, 分段时需考虑安装间隙, 避免出现构件过长无法安装、钢平台无法顶升等问题。

采用ZSL850型动臂式塔式起重机, 考虑顶升钢平台桁架钢梁的影响, 核心筒桁架分段长度控制在5.5m左右, 重9t左右;核心筒铸钢件钢柱分段质量控制在40t左右;伸臂桁架分段质量控制在26t左右;腰桁架分段考虑现场焊接工艺, 分段质量控制在5t左右 (见图5) ;根据塔式起重机吊重, 对于外框柱分段质量, 角部钢框柱控制在36t左右、中柱控制在25t左右 (见图6) 。

由于核心筒先于外框柱施工, 桁架层钢结构施工时先进行核心筒桁架钢结构安装, 待外框柱施工至31层时, 开始进行伸臂桁架和腰桁架钢结构安装。具体安装工艺流程为:安装核心筒角部带铸钢件钢柱→安装角部核心筒桁架钢结构→嵌补核心筒其他桁架钢结构→待外框柱施工至31层时安装伸臂桁架钢结构→安装腰桁架钢结构。

腰桁架截面类型主要为H850×850×60×60, H800×800×50×50, 构件材质为Q345C, 按自下而上的顺序安装, 具体安装工艺流程为:安装两侧外框柱→安装桁架下弦杆→安装外框柱中间节→安装外框柱上节→安装桁架腹杆→嵌补其他腹杆→安装桁架上弦杆→安装完成。

为满足核心筒桁架钢结构安装要求, 安装时需设置支撑型钢柱, 截面为H250×125×7×11, 在型钢柱中间设置斜撑, 斜撑与钢柱用角焊缝焊接, 焊脚高度h=5mm, 支撑搭设如图7所示。

钢梁安装时利用连接板作为临时连接, 钢梁就位后及时夹好连接板, 对于孔洞有少许偏差的接头应用冲钉配合调整跨间距, 然后通过安装螺栓拧紧。安装螺栓数量按规范要求不得少于该节点螺栓总数的30%, 且不得少于2个。

在各类钢-混凝土组合结构施工中, 对于复杂环境下高层建筑伸臂桁架层施工技术的要求越来越高, 无论是安装精度、工程质量还是工期进度控制都对伸臂桁架层施工提出了新要求, 施工组织安排、节点优化设计、施工过程管理对于高效完成伸臂桁架层施工至关重要。东莞国贸中心T2塔楼项目通过采取合理的施工方法及施工组织, 顺利完成伸臂桁架层结构施工, 且施工效果良好。