重庆来福士广场项目T4N塔楼地下3层、裙楼6层、地上68层, 总高度350m, 结构形式为带腰桁架和巨柱的外框架+核心筒+混合伸臂 (连接核心筒角部和巨柱) 结构体系。其中塔楼共设有4道避难层, 分布在L10, L25, L41, L54层, 图1所示的型钢混凝土 (以下简称“钢混”) 组合伸臂系统由软钢剪切耗能件+钢伸臂桁架+组合伸臂墙+混凝土环梁组成, 剪切耗能件箱形截面尺寸为1 660mm×800mm×70mm×50mm, 钢支撑最大箱形截面尺寸为1 600mm×500mm×85mm×40mm, 组合伸臂墙内连接型钢最大箱形截面尺寸800mm×500mm×85mm×20mm, 伸臂墙墙身最大厚度1m, 加厚翼缘最大厚度4.5m, 组合伸臂墙长5.17m。

1) 超高层钢混组合伸臂后合龙施工 塔楼筒体内外不均匀沉降、材料性能差异、混凝土收缩、不等高攀升等因素, 导致筒体内外结构轴向变形不一致, 故钢混组合伸臂的合龙时间直接决定了剪切耗能件是否能提前受力和后期的正常使用, 因此需要在保证结构施工阶段整体刚度的同时, 确定最优的钢混组合伸臂合龙时间, 以保证伸臂结构附加内力相对较小。

2) 钢混组合伸臂墙纵向主筋预留预埋施工 伸臂墙纵筋数量多达169根, 单根重达30kg, 单个避难层环梁及伸臂墙钢筋总量达320t, 如图2所示。由于核心筒提前施工, 需对钢混组合伸臂钢结构纵向主筋进行预留预埋, 然而伸臂墙与核心筒呈45°角, 钢筋斜向预埋角度不易被控制。其次随结构高度增加, 剪力墙厚度减小会导致纵向主筋锚固长度不足等问题。

3) 钢混组合伸臂墙节点复杂 剪力墙角部及伸臂墙内大尺寸双肢箍筋与伸臂桁架冲突, 导致箍筋无法穿过, 型钢上无法过多开洞, 因此在深化阶段需对所有钢筋与型钢冲突的位置进行优化调整, 从而确保现场施工具有可操作性。

4) 钢混组合伸臂结构工序穿插复杂 钢混组合伸臂墙钢筋绑扎前, 需对组合伸臂墙自重、施工荷载及下部支撑架体荷载进行统计, 确保组合伸臂下部支撑有足够的承载力。同时外框施工箍筋需根据现场纵筋位置实测下料, 外框箍筋与型钢冲突位置多数采用焊接固定, 故合理优化纵向钢筋及竖向箍筋的绑扎顺序十分重要。

1) 采用ETABS有限元模拟软件对塔楼主体结构整体建模 (见图3) , 包含钢混组合伸臂结构, 不考虑向周边外扩;楼板一般采用平面刚性楼板单元, 加强层及中间楼层采用弹性板, 考虑实际楼板厚度, 仅计膜刚度;上部结构嵌固于地下室底板, 分析考虑大位移、大应变几何非线性效应。同时由试验分析或类似工程, 确定混凝土收缩徐变等荷载参数。

2) 根据塔楼主体结构复杂程度, 合理细分施工步, 初步定为≤5层, 遇首层、加强层 (伸臂层) 、外立面曲线拐点、连体等楼层处加密施工步。并根据施工步进行塔楼施工的全过程模拟, 其中钢混组合伸臂结构合龙考虑3种工况:SC为钢混组合伸臂与主体结构同时安装;SC3为钢混组合伸臂滞后1个避难区合龙;SC5为钢混组合伸臂待结构施工完毕后合龙。

3) 根据施工模拟分析得出不同工况下各加强层结构角柱的变形及内力变化历程, 根据内力及变形特点 (见图4) , 确定钢混组合伸臂滞后1个避难区合龙为最优时间, 此时组合伸臂构件附加内力相对较小, 且结构整体刚度较好, 不存在薄弱状态, 也不至于过早合龙导致组合伸臂提前受力。

1) 为保证型钢混凝土组合伸臂达到后合龙的效果, 剪切耗能件的安装采用一端刚接, 一端铰接的连接方式, 即一侧与型钢柱焊接固定, 另一侧与钢支撑侧面、底面及顶面螺栓进行临时固定。

2) 根据施工模拟及变形监测结果, 待组合伸臂附加荷载释放完成后, 再进行组合伸臂钢结构的焊接。由于钢混组合伸臂结构合龙处焊缝较长, 为防止焊接变形, 需由多名焊工同时对称焊接 (见图5) 。

3) 为保证厚钢板焊缝质量, 每段焊缝均应包含端头打底填充、打底层、填充层及盖面打磨等工序, 如图6所示。其次厚钢板焊后采取热处理方法以消除焊接残余应力, 同时清理焊缝表面的熔碴和金属飞溅物。厚钢板焊后热处理主要采用电加热为主、火焰加热为辅的形式, 通过电加热设备保持恒温及后热均匀, 保证焊缝中的扩散氢有足够的时间得以逸出, 且焊接产生的应力得以释放, 从而消减残余应力, 避免出现延迟裂纹。

在充分考虑锚筋与剪力墙竖向钢筋冲突、锚板大小与剪力墙水平钢筋冲突、预埋钢板条与核心筒内型钢冲突的基础上, 按照等强度设计及“能直锚则直锚”的原则, 采用预埋钢板条代替伸臂墙纵向主筋的预埋方式, 预埋钢板条由钢面板条、锚固钢条及锚固端板组成, 为保证制作及后期焊接过程中钢面板不发生焊接变形, 故钢面板厚度应>20mm, 如图7所示。

预埋钢板条深化计算应满足等强度替换原则, 具体代换计算如下。

1) 锚固钢条数量采用预埋钢板条代替伸臂墙纵向主筋的预埋, 需保证预埋钢板条锚固钢条的抗拉强度不小于代换前伸臂墙纵向钢筋的抗拉强度, 如式 (1) 所示。

式中:f_y1为伸臂墙纵向受力钢筋抗拉强度设计值;n₁为被代换伸臂墙纵向受力钢筋的根数;A_S1为单根伸臂墙纵向受力钢筋截面面积;f_y2为锚固钢条抗拉强度设计值;n₂为锚固钢条的数量;A_S2为锚固钢条单根截面面积。

根据结构设计图纸, 将所代换伸臂墙纵向受力钢筋的f_y1, n₁, A_S1代入式 (1) , 同时按照剪力墙角部钢筋间距及所选钢材强度f_y2, 确定锚固钢条单根截面面积A_S2及数量n₂。

2) 锚固钢条长度锚固钢条长度目前无可参照规范, 建议按照11J930《国家建筑标准设计图集》中抗震设计时受拉钢筋锚固长度进行取值。当剪力墙厚度较小, 锚固钢条直锚长度不足时, 可将锚固钢条伸至剪力墙竖向钢筋内侧, 并在钢条端部增焊锚固端板以满足锚固要求。

当预埋钢板条不可避免地与核心筒钢梁相冲突, 则将锚固钢条预先开坡口, 与钢梁进行坡口焊接, 从而保证锚固质量。

3) 锚固端板按照G101—1《国家建筑标准设计图集》中相关规定, 锚固钢条端部增焊的钢板面积不应小于锚固钢条截面积的4倍。

1) 预埋钢板条应在核心筒避难层剪力墙竖向钢筋及钢板条下口标高以下, 水平箍筋绑扎完成后插入施工, 从而避免钢板条与钢筋绑扎冲突。

2) 对于与剪力墙型钢不冲突的预埋钢板条, 则通过与剪力墙纵向及水平钢筋全数点焊的方式固定;对于与剪力墙型钢冲突的预埋钢板条, 则预先将锚固钢条开坡口, 并与型钢进行焊接从而达到锚固效果。焊缝质量至少应达到二级焊缝标准, 同时由于钢板条较长, 需在临时固定的基础上从中间向两端对称焊接。

3) 预埋钢板条水平定位需拉设通线确定, 当竖向定位与剪力墙纵筋冲突时, 可左右挪动2~3cm, 以保证纵筋通过。

采用Tekla对钢混组合伸臂钢结构进行合理的分段深化, 钢支撑及剪切耗能件的安装流程如图8所示。其中剪切耗能件与牛腿应在地面焊接成整体后再进行整体吊装, 从而保证焊接质量。

为保证安装精度, 特在外框钢梁上搭设测量平台, 采用全站仪进行构件控制角点的三维坐标定位及校正, 保证垂直度误差≤3mm, 如图9所示。

1) 下料、装配时, 根据制造工艺要求, 预留焊接收缩余量, 预置焊接反变形。

2) 钢构件应采用气体保护电弧焊施焊, 存在多种焊缝时应先焊接收缩量大的焊缝, 长焊缝尽量从中间向两头焊接。

3) 焊接过程中应设置加热减应区, 即焊接时根据条件加热阻碍焊缝自由收缩的部位, 使之与焊接区同时膨胀和同时收缩, 起到减小焊接应力的作用。

4) 焊后消氢热处理加速氢的扩散, 使得冷裂倾向减小, 提高抗层状撕裂性能。

5) 焊接时对控制点进行实时监测, 控制焊接变形过大。

1) 钢混组合伸臂墙钢筋绑扎前, 需对组合伸臂墙自重、施工荷载及下部支撑架体荷载进行统计, 并根据各层楼板设计荷载确定楼板回顶的层数^[4]。

2) 钢混组合伸臂墙纵向钢筋绑扎前, 首先在预埋钢板条上焊接10mm厚钢筋连接板, 连接板宽度应保证纵向钢筋双面焊5d、单面焊接10d的要求, 连接板应从下至上逐层焊接坡口, 并在上层连接板焊接前将伸臂墙纵向钢筋全部焊接到位。

3) 组合伸臂墙纵向钢筋应遵循“先纵筋后箍筋, 再从底至顶, 纵筋依次焊接”的原则施工;伸臂墙竖向箍筋需遵循“后从里至外、先外围后内部, 箍筋依次套入”的原则绑扎, 对于不易穿过的外围箍筋, 可用双开口单肢箍搭接代替原封闭箍筋, 从而保证施工可操作性。

钢混组合伸臂墙宜采用M14对拉螺杆和木模板进行加固, 从底面以上250mm开始设置, 其纵向及水平间距均为450mm, 如图10所示。

设计中若要求避难层组合伸臂墙底部与楼板脱开, 可将伸臂墙墙身底部与下层楼板间增设相应厚度的挤塑板, 挤塑板间应采用双面胶黏结, 待避难层组合伸臂墙达到设计强度后, 剔除二者间的挤塑板, 避免伸臂墙受力时对下层楼板产生影响。

由于钢混组合伸臂墙较高, 施工缝应以楼层标高及机电夹层标高为依据进行划分, 分段浇筑, 避免单次浇筑高度过大。

钢混组合伸臂墙中钢结构和钢筋数量较多, 钢筋间距太小, 施工时无法振捣, 在组合伸臂墙施工时, 宜采用自密实混凝土浇筑, 从而保证组合伸臂墙的施工质量。

1) 在剪切耗能件、钢斜撑及伸臂墙型钢上各埋设2个振弦式应变计, 其中钢斜撑及伸臂墙型钢处振弦式应变计平行于构件长度方向设置, 而剪切耗能件则设置为应变花形式, 从而保证构件受力监测的全面性和真实性。

2) 按每月1次的频率采集变形数据, 待伸臂系统合龙后结构每增加1层或荷载发生较大变化时监测1次。监测预警值取为设计值的80%, 若相关监测数据超过警告值, 则立即上报, 并及时提出处理措施。

3) 在已安装敷设的监测设施上设醒目标记, 系统外场安装的设备统一加装名牌和编号, 并通知有关人员注意保护, 同时做好仪器的检查保养和保护措施。

1) 通过有限元软件分析钢混组合伸臂结构受力性能, 结合信息化监测技术, 将采集数据与模拟、设计荷载进行对比分析, 提出危险预警与处理措施, 并确定最优合龙时间, 减少组合伸臂附加内力及变形。

2) 创新采用预埋钢板条代替钢混组合伸臂墙纵向主筋预埋的方式, 解决剪力墙厚度随楼层逐渐减小导致预埋主筋锚固长度不足的问题, 提高施工效率。

3) 对钢混组合伸臂钢桁架进行分段深化, 结合三维模型空间定位测量, 优化钢桁架吊装和焊接顺序, 提高安装精度。