海纳百川总部大厦A, B座工程位于深圳市前海湾, 由A, B座两栋大厦组成, 总用地面积11 632.89m², 总建筑面积约10万m², 两栋大厦建筑高度均约为100m, 地上均为23层, 地下室均为3层, 大厦地下室之间采用通道连接, 地上2层设置钢结构连桥连接。±0.000标高相对于绝对标高4.600m, 首层结构标高为-0.050m。A座 (北塔) 1层结构层高6.0m, 2层结构层高为5.1m, 3层结构层高为4.7m, 标准层层高为4.2m, 结构总高度为99.85m;结构形式为框架核心筒结构。

本工程A座北面4层至屋面层结构悬挑约7m, 悬挑高度为17.05m, 悬挑范围为轴/ (3) ~ (7) 轴, 悬挑面积约200m², 悬挑边梁上设置4根800mm×800mm截面柱连接上、下层。其中, 4~6层柱是型钢混凝土柱, 4~6层悬挑主梁是型钢混凝土梁, 4~5层设置型钢混凝土斜柱连接悬挑边柱和塔楼柱。如图1所示。

悬挑层之间通过边梁上4根800mm×800mm柱连接, 若悬挑结构施工完2层及以上将形成悬挑混合空腹桁架。当斜柱的混凝土没达到设计强度或强度较低时, 可近似看作悬挑空腹桁架。

叠层空腹桁架结构具有刚度大、无斜腹杆、空间利用优异等特点, 在获得建筑造型和满足建筑物的使用功能方面具有独到的地方, 所以常常被一些建筑师偏爱。在叠层空腹桁架的下面2层端部加2根斜杆, 形成混合空腹桁架, 可以减小弦杆的弯矩、剪力及下弦杆的竖向位移, 有利于结构的受力^[1]。

由于空腹桁架结构是通过竖杆的拉接作用与水平杆件协同受力, 而对于悬挑叠层空腹桁架结构, 意味着在施工阶段随着结构层的增加以及每层结构施工过程中各构件的强度和刚度逐渐形成, 都会引起整个受力体系应力重分布。正是因为应力重分布在施工阶段的不断发生, 意味着施工阶段的集中荷载不能传递到某一层或者某一个构件上, 否则将会影响整个悬挑叠层式空腹桁架结构在施工完成后能否达到原来的受力设计要求。

设计单位对悬挑叠层式空腹桁架结构的设计往往只针对施工完成后的使用阶段进行, 并没有明确施工阶段结构的受力形式, 所以, 如何寻找一种切实可行的施工工艺去保证结构在施工过程中的质量要求以及施工安全要求, 将是施工中的难点。

大跨度叠层空腹桁架结构体系的整体弯曲将在楼板中产生不可忽视的附加应力^[2], 悬挑结构层楼板在考虑板与主桁架共同作用时, 恒载作用下与塔楼相连接的悬挑层根部拉应力较大^[3], 随着结构施工层数的不断增加、上部荷载的逐渐加大, 这种变形效应也会逐步积累, 悬挑结构层的楼板受到的拉应力也会随着上部结构的施工进程而增大, 从而导致楼板开裂;并且这种开裂会一直持续到结构施工全部完成后才会趋于稳定, 容易造成后续施工质量问题, 甚至影响建筑的使用功能。

叠层混合空腹桁架的节点受力复杂, 承受较大的剪力和弯矩, 易发生核心剪切破坏, 底部转换梁与立柱节点区以及相关节点采用钢骨架混凝土, 杆件较多, 型钢和纵筋交错, 若采用常用的箍筋抗剪, 施工难度大, 难以保证节点强度和延性的设计要求^[4]。

临时支撑的总体设想是采用扣件式钢管脚手架结合大直径钢管柱支撑的综合临时支撑体系。悬挑叠层式空腹桁架结构未成型前, 仅仅依靠常规高支模体系无法保证其施工安全以及其施工期间的变形, 所以采取一种新型的施工方法来继续完成悬挑叠层式空腹桁架结构的施工。在4层悬挑边柱下端加临时钢管柱支撑, 采用Ф630×16 Q345钢管柱进行支顶, 共4根。钢管柱的中心和4层悬挑边柱的中心重合。如图2所示。

悬挑高度为17.05m, 扣除梁高, 钢管柱高度为16.25m, 支撑高度范围为地下室顶板至4层柱底。钢管柱分段通过法兰盘连接, 标准分段长度为3m, 每根钢管柱分6段。钢管柱采用塔式起重机吊装就位。

钢管柱对应位置处在地下室都有钢筋混凝土柱, 但都存在偏位情况, 最大偏位315mm, 将采用I20回顶的方式进行加固。

根据设计交底资料以及施工进度计划确定, 钢管柱主要考虑承受悬挑结构4~8层梁板结构施工荷载, 模板支撑系统按此工况进行设计。

在5层板以斜柱为中心设3m宽后浇带, 梁板钢筋搭接, H型钢梁与斜柱铰接 (螺栓不拧紧, 翼缘不焊接) , 待桁架临时支撑拆除和悬挑楼层结构封顶后, 再拧紧螺栓, 焊接翼缘, 浇筑后浇带混凝土。如图3所示。

由于篇幅所限, 对于常规的钢管扣件模板支架体系不展开叙述, 重点介绍大直径钢管支撑的安装。

确定钢柱位置→地下室回顶→扣件式钢管脚手架高支模搭设→钢柱安装→拆除部分高支模 (清出作业面) →钢柱拆除→完全拆除高支模和地下室回顶措施。

钢管柱高度为16.25m, 分为6段, 5处拼接。预先加工钢柱和连接法兰盘, 钢管柱从上到下分为1号柱、2号柱、3号柱、4号柱、5号柱、6号柱, 1~5号柱长度都为3m, 按设计要求制作加工法兰盘, 分别焊接在1号钢柱的下端、2~5号钢柱的两端和6号钢柱的上端。柱的加工长度偏差只要控制在允许偏差±3.0mm即可。

钢柱采用现场7013B型塔式起重机进行吊装。7013B型塔式起重机在钢柱吊装位置的吊重为3 000kg, 钢柱质量约为800kg, 满足吊装要求。钢柱吊点设置在钢柱的顶部, 焊接耳板穿洞 (2块) 。钢柱在吊装前, 先用全站仪确定钢管柱在钢垫板上的轴心位置, 并用墨线画一个跟钢管同形心且边长为630mm的正方形, 以便调整钢柱位置。

钢柱分为6段, 先吊起最底下的6号柱, 根据定位正方形墨线定好位, 调整好水平位置和垂直度。然后, 在钢柱下端焊接8块钢板加劲肋将钢管与钢垫板临时刚接, 以防钢柱在安装期间失稳。最后, 将钢柱与周边高支模抱箍连接, 以增加整个体系的稳定性。每安装一节抱箍连接一次。完成6号柱吊装后, 校正位置和垂直度, 并立即与高支模钢管扣件抱箍连接, 再进行5号柱吊装。把5号柱用塔式起重机吊至6号柱上方, 对准6号柱法兰盘后, 5号柱缓缓落下, 并用高强螺栓穿入法兰盘, 拧紧螺栓。然后再将5号柱与周边高支模抱箍连接。同样的方法吊装4号柱、3号柱、2号柱、1号柱, 钢柱与高支模抱箍的原则是高支模每两步一抱箍, 即3m一抱箍。

每次吊装、连接完成, 都需用磁力线坠配合经纬仪对钢柱进行垂直度监测和矫正。钢柱安装的垂直度控制在3.0mm以内。在钢柱位置、垂直度达到设计要求后, 钢柱与钢垫板满焊, 并再加焊4块钢板加劲肋。

施工准备→梁板钢筋加工制作及模板的配置→内架搭设→梁底模及梁侧模的安装→平板模板安装→模板验收→钢结构吊装→管线预埋与梁钢筋绑扎→钢筋隐蔽验收→梁板混凝土浇筑→梁侧模拆除→梁板底模拆除。其中, 型钢梁位置需要先空出梁底模和侧模, 绑扎完成型钢梁位置的钢筋后再支模板。

在梁、柱节点部位, 由于整根箍筋无法穿过, 箍筋加工成开口套, 安装时与腹板上预焊的锚固筋 (在工厂预焊) 焊接, 或者采用双层箍筋, 腰筋拉钩焊接在型钢梁腹板加强钢带上。箍筋采取单面焊的形式, 焊缝长为10d。梁柱主筋采用套筒连接 (套筒在工厂焊接) , 或焊接在梁柱节点的加劲板或连接板上, 或者在腹板开洞 (孔洞率需符合规范要求) , 主筋直接穿过。

对于钢筋密集、难以使用振动棒进行振捣的型钢混凝土梁柱节点, 应选用具有较高流动性和自密实性能的混凝土进行浇筑。

浇筑时, 泵口应距柱口有一定距离, 应使混凝土拌合物沿柱模板侧壁流向柱底, 以避免柱内形成“空气包”影响混凝土浇筑质量。对于型钢混凝土梁构件, 应自梁的一侧进行, 待另一侧的混凝土自型钢梁底部溢出后再两侧同时浇筑。

浇筑过程中, 振捣持续时间不能过长, 一般每个振捣点振捣时间≤3s。还需实施外部辅助振捣措施, 如利用橡皮锤敲击梁的侧模、底模, 尤其是柱四角处应多敲击, 这样可以检查混凝土浇筑是否密实, 而且有利于排出混凝土内部的气泡。当节点浇筑面与型钢面相平时, 混凝土摊铺略高于型钢面, 稍加振捣, 使混凝土浆料把型钢翼缘板与腹板阴角位置填充饱满, 再浇筑至正常梁面标高。浇筑完成后立即对混凝土构件进行养护。

1) 悬挑结构8层梁板以下部分混凝土强度均达到设计强度要求。

2) 悬挑端部沉降量满足设计和规范要求。本工程设计要求施工至8层梁板最大挠度为4.1mm, 规范要求挠度限值为36mm (计算跨度为6m, 挠度限值取l₀/250, 减去预起拱值) 。

考虑本工程钢管柱拆除的安全性, 先拆钢管柱2和钢管柱3, 然后拆钢管柱1和钢管柱4。竖向方向由顶端1号柱向底端6号柱拆卸。严格遵循“对称拆除”原则。保证拆除钢柱卸载过程中, 整体悬挑空腹桁架结构挠度变形均匀, 避免产生结构裂缝。

在4层结构板浇筑前, 在结构板底板靠近钢柱两侧各埋设1个直径为30cm的吊环, 吊环分别距离钢柱边缘20, 40cm。

分别将2个手拉葫芦的一端挂在预埋吊环, 另一端挂在1号柱的穿洞耳板, 拉紧手拉葫芦保证1号柱顶部顶紧4层结构板。用气焊切除局部1号柱, 切除范围为距离法兰盘以上30~70cm区域。切除完成后, 缓慢释放手拉葫芦逐步降低1号柱, 并将1号柱移向较远端的吊环方向, 移出钢柱区, 再缓慢吊至1层楼面。

1号柱吊卸完成后, 回收手拉葫芦, 将手拉葫芦挂至2号柱穿洞耳板, 松开2号柱与3号柱间的高强螺栓, 吊起2号柱并移向较远端吊环方向, 移出钢柱区, 缓慢吊至1层楼面。以同样的方法吊卸3号柱、4号柱、5号柱。如图4, 5所示。图5中, 1个柱头2块楔形钢板, 平面尺寸500mm×1 000mm, 最厚处20mm, 最薄处5mm。

根据主体大楼施工的现状, 在塔楼范围4层受力柱体上布设4个水准点作为高程基准点, 编号为G1, G2, G3, G4;在4层悬挑边柱下端分别布设1个监测点, 共布设4个监测点, 点号分别为R1~R4。

根据施工过程, 把具体监测分为3个阶段:支撑拆除阶段、结构施工阶段和结构封顶后。如表1所示。

通过施工过程的监测以及对结构沉降值的测量, 沉降值满足设计和规范要求。

本文针对深圳宝安海纳百川总部大厦项目的施工, 对其高度较高、跨度较大的钢筋混凝土叠层空腹桁架类型的悬挑结构的施工技术进行了研究, 提出了在悬挑梁底部设置大直径钢管柱支撑与常规扣件式钢管脚手架组合式临时支撑体系、在悬挑板部位留置施工缝后浇带、对型钢混凝土复杂节点的混凝土浇筑、悬挑部位的变形监测等技术措施, 有效地控制施工阶段结构挠度变形, 确保了结构施工的有效性和安全性, 施工全过程处于安全、稳定、顺畅的可控状态。该技术施工工艺成熟简单, 技术可靠, 利于操作, 对类似工程施工具有良好的借鉴意义和推广价值。