某超高层建筑黏滞阻尼墙与外框钢结构同步安装关键技术
0 引言
随着建筑高度不断升高,建筑物受风荷载及地震荷载的影响越剧烈,建筑上方晃动感越强烈。为解决这一难题,超高建筑在设计过程中都会安装阻尼器或增加剪力墙,提高结构抗风及抗震性能。与其他阻尼器相比,黏滞阻尼墙是一种新型速度型阻尼器,可充分利用墙体所提供的空间,产生足够大阻尼力;既适合新建工程减震设计,又能用于现有结构抗震加固,是目前较理想的阻尼消能元件
1 工程概况
厦门某超高层建筑项目塔楼为带加强层的钢管混凝土巨型框架-筒体结构,地上68层,高度约340m,集超甲级写字楼、单元式办公、高档会所、观光等为一体,是厦门市百亿元“高、新、特”项目的重点项目,建成后将成为厦门地标性建筑之一(见图1)。
本工程采用“框架-巨型支撑-伸臂桁架”和含有钢板的混凝土核心筒组成的多重抗侧力结构体系。其中,外围框架柱采用巨型箱形钢管混凝土柱,东、西立面分别采用5道箱形巨撑,与内部核心筒、伸臂桁架及腰桁架等共同形成主体结构承载体系;在主塔楼44~60层使用黏滞阻尼墙,以解决高宽比为9的结构横向抗风、抗震问题
本工程黏滞阻尼墙采用68个VFD-NL×1 700×60,单体重4t,阻尼系数为3 050kN/(m/s),行程为±60mm,宽2 770mm、高2 500mm、厚250mm。
2 施工方案选用及工艺流程
2.1 施工重点、难点分析
1)黏滞阻尼墙与主体结构间不同材质、不同构件的连接质量难以保证,对节点部位进行深化设计至关重要。
2)黏滞阻尼墙安装与主体结构施工同时进行,工艺流程的选取与优化对施工效率及施工质量影响较大。因此,既要考虑黏滞阻尼墙安装,也要考虑外框钢结构施工,并分析两者同步施工的协调性。
3)黏滞阻尼墙与主体结构连接部位的安装质量控制较复杂,需采取针对性措施消除安装偏差。
2.2 施工方案选用
通过对黏滞阻尼墙及外框钢结构安装工艺研究,拟采用2种施工方案:(1)搭设施工平台,在阻尼器两端设置钢筋混凝土承台;(2)黏滞阻尼墙与外框钢结构同步安装。方案比选分析如表1所示。根据表1所示方案比选分析,最终选用方案(2)。经分析,该工艺综合考虑外框钢结构施工与黏滞阻尼墙安装两部分间的工艺组织关系,关键施工环节为:黏滞阻尼墙深化设计,外框钢结构安装,黏滞阻尼墙与外框钢结构间的连接及偏差控制。
2.3 施工工艺流程
黏滞阻尼墙深化设计→进场验收→测量放线→安装结构钢梁(下连接副梁)→过渡梁安装及连接→黏滞阻尼墙安装及连接→上连接副梁安装→连接夹板施工及四周围焊→校核及紧固螺栓。
3 关键施工技术
黏滞阻尼墙安装在主体结构钢梁上,墙体与上、下连接副梁采用高强螺栓进行连接,上、下连接副梁经过深化设计、与结构钢梁焊接在一起。当结构楼层较高时,需设置过渡梁,过渡梁安装在黏滞阻尼墙墙体下,与下连接副梁及墙体采用高强螺栓连接。若阻尼墙上连接组件腹板孔位与端板夹板孔位存在偏差,可适当调整墙体上连接组件位置;将墙体上连接组件与两端部夹板螺栓连接,不紧固螺栓。安装中间夹板,分别将钢梁上连接副梁与中间夹板、墙体上连接组件与中间夹板螺栓连接,不紧固螺栓。阻尼墙底部端板、过渡梁与钢梁间各连接节点采用四周围焊方式增加连接强度并提高安全系数。待建筑主体结构施工完成后,对各安装点位的黏滞阻尼墙体的连接螺栓进行紧固,并达到相应预紧力要求。黏滞阻尼墙安装如图2所示。
该技术工艺创新点在于:黏滞阻尼墙通过过渡梁、上下连接副梁与结构钢梁连接,与外框钢结构施工同步进行安装。关键施工技术为:对黏滞阻尼墙进行深化设计,将连接附件与结构钢梁一体化加工;黏滞阻尼墙安装与定位;外框钢结构安装;黏滞阻尼墙与结构钢梁连接。
3.1 黏滞阻尼墙深化设计
对黏滞阻尼墙设计图纸进行深化设计,为施工方便,提高黏滞阻尼墙安装质量,将下连接副梁与结构钢梁、上连接副梁与结构钢梁深化设计成整体(见图3)。深化设计主要包括:下连接副梁与结构钢梁的连接方式,过渡梁形状、尺寸,上连接副梁与结构钢梁的连接、上连接副梁与黏滞阻尼墙的连接尺寸,螺栓孔位置及连接板尺寸等
当结构钢梁上、下均有黏滞阻尼墙时,上、下连接副梁同时与结构钢梁深化设计成一体,上、下连接副梁与结构钢梁在加工厂内焊接在一起,整体运输至施工现场,如图4所示。
3.2 黏滞阻尼墙定位与螺栓连接
不设置过渡梁时,黏滞阻尼墙直接与下连接副梁连接;设置过渡梁时,过渡梁(下连接副梁)安装完成后,在过渡梁(下连接副梁)上表面划出黏滞阻尼墙墙体定位位置标记,将黏滞阻尼墙墙体吊装至标记显示位置。过渡梁与黏滞阻尼墙底部端板的对应连接孔调整同心度时,可使用撬棍等工具进行墙体位置调整,以保证连接螺栓安装。墙体下端与下连接副梁用指定规格螺栓连接,不紧固螺栓。
3.3 外框钢结构安装
3.3.1 下连接副梁安装
根据施工深化设计图纸,下连接副梁与结构钢梁已在加工厂定制加工完毕,位置、尺寸、连接方式、力学性能均满足图纸要求及相关规范规定。现场施工,按钢梁序号将结构钢梁吊装至设计位置,通过定位轴线,调整结构钢梁位置,直至满足设计要求为止。结构钢梁安装完成后,用水准仪或水平尺检查下连接副梁水平度及螺栓孔孔距,误差控制在±2mm,方可进行下一步工序施工。
3.3.2 过渡梁安装及连接
根据建筑楼层高度,当楼层净高满足黏滞阻尼墙安装要求时,无须设置过渡梁,此步骤可省略。当楼层过高,需增加过渡梁与黏滞阻尼墙连接,以满足黏滞阻尼墙安装要求。过渡梁安装前,先校核下连接副梁水平度,满足要求后方能进行过渡梁安装。
清理过渡梁钢板表面,采用水准仪校核水平度误差,表面水平度误差<1∶400。同一层间上、下梁的连接副梁垂直对应,误差须满足施工要求。检查无误后,过渡梁下端与连接副梁采用指定规格螺栓连接(见图5),不紧固螺栓(过渡梁2个连接端面中有一端加工为坡口,坡口端与下连接副梁贴合连接)。
3.3.3 上连接副梁安装
上连接副梁与上一层结构钢梁一体化加工,安装时也同步施工。由于上连接副梁螺栓孔位置和黏滞阻尼墙螺栓孔位置已加工完成,且上连接副梁与结构钢梁为一体,故结构钢梁安装完成后,上连接副梁位置无法调整。因此,必须确保上连接副梁安装精度,避免出现上连接副梁与黏滞阻尼墙螺栓孔孔位不在同一截面的现象,影响黏滞阻尼墙安装质量。
本工程结构钢梁定位施工步骤与本层结构钢梁施工相同,保证钢梁定位准确,并对与其相连的上连接副梁位置进行复核,组织试验段对黏滞阻尼墙进行试拼装。保证安装精度全部满足要求后,采用该施工工艺,并对每根主梁位置进行控制、对每根上连接副梁位置复核后,进行钢梁的连接作业。
3.4 黏滞阻尼墙与结构钢梁连接
3.4.1 连接夹板施工
黏滞阻尼墙与上连接副梁间通过夹板采用高强螺栓进行连接(见图6)。安装过程中,若黏滞阻尼墙上连接组件腹板孔位与端部夹板孔位存在细微偏差,可适当调整插板组件位置进行调整。调整步骤为:(1)拆除定位连接板;(2)使用千斤顶、撬棍等常用工具上、下、左、右挪动插板组件位置,使孔位达到安装要求;(3)黏滞阻尼墙上连接组件腹板通孔与端部夹板通孔同心度满足安装要求时,将上连接组件与两端部夹板采用指定规格螺栓连接,不紧固螺栓;(4)分别将上连接副梁与中间夹板、上连接组件与中间夹板采用指定规格螺栓连接,不紧固螺栓。
3.4.2 连接部位四周围焊
黏滞阻尼墙安装完成后,对其平面位置及其垂直度进行校核,水平度偏差小于±5mm,垂直度偏差<1∶400。满足要求后,对用螺栓连接各连接节点部位四周围焊,增加连接强度并提高安全系数。焊接完成后,要对焊缝进行防锈处理。具体焊接位置如图7所示(A为下连接副梁与过渡梁连接区域四周围焊,B为过渡梁与墙体底板连接区域四周围焊,C为上连接夹板(含端部夹板及中间夹板)两侧连接区域四周围焊)。
3.4.3 紧固螺栓
待建筑主体结构施工完成后,紧固各安装点位黏滞阻尼墙的连接螺栓,达到相应预紧力要求。根据钢结构施工规范及施工图纸要求,采用扭矩扳手检查连接螺栓扭矩。
3.4.4 安装偏差消除措施
1)连接夹板施工充分利用定位连接板,限制黏滞阻尼墙内部减震消能元件的相对位变,调整好上连接副梁与黏滞阻尼墙间的相对关系后,再拆除定位连接板,从而尽可能保证安装过程中减震消能元件处于自由状态。发现偏差,及时校核上连接副梁与黏滞阻尼墙的水平位置与垂直度,并采用撬棍、可调节长度吊绳、千斤顶进行调整;必要时,需重新吊起黏滞阻尼墙、重新安装。
2)四周围焊施工应采用均匀对称、连续作业的方式,横向对称、纵向由中间向两边焊接,焊接分为3层进行,减少焊接残余应力及形变累积;每层间需将焊渣清理干净,再进行上一层焊接作业;每层焊口施工完毕,选取黏滞阻尼墙两端对称位置,测量其水平变形、竖向变形、扭曲度,控制黏滞阻尼墙安装偏差在允许偏差范围内(偏差控制阈值与GB 50755—2012《钢结构工程施工规范》中钢结构主体允许偏差值相同)。如出现偏差较大,通过有限元软件模拟反向焊接工艺焊接应力与变形并进行调整。
3)紧固螺栓施工由中间向四周,由下向上,依次拧紧;所有螺栓紧固后,采用力矩扳手复核并最终紧固螺栓。
4 结语
1)与阻尼器安装相比,黏滞阻尼墙可在工厂定制、现场直接安装,减少钢筋混凝土作业,分项工程工期由66d降为36d,缩短工期30d。
2)节省劳动力240工日,减少塔式起重机租赁期30d,有效降低工程成本。
3)黏滞阻尼墙体积小、安装方便,设置在内隔墙内,节省施工场地空间,增大建筑有效使用面积;同时,节省大量钢筋、混凝土用量,节能环保方面效果明显,社会效益显著。
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