刘秀峰
北京珠江房地产开发有限公司 101100
摘要：对钢筋混凝土悬挑叠层混合空腹桁架结构的施工关键技术进行研究, 总结了钢管柱组合临时支撑体系、复杂节点混凝土浇筑、悬挑部位沉降监测等技术措施。
关键词：钢筋混凝土;?桁架式;?施工工艺;?技术;
引言：为了满足人们对建筑的造型及使用功能的要求,在同一建筑中,沿纵向建筑的功能发生变化,要求设置大开间的柱网,采用混凝土空腹桁架来处理大开间的柱网是一种受力合理而又经济的方式,能有效避免结构自重过大及“强梁弱柱”的后果,提高建筑物的整体稳定性。因此从结构方案设计、施工工艺角度等多方面,这种可以充分利用结构空间、减轻结构自重增加刚度、节省材料,可满足大跨度、大开间以及不同建筑功能的需求的新型支撑体系--空腹桁架梁结构应运而生。该体系由上下弦梁以及立柱（立柱）组成,采取将梁的腹部挖空的办法来减轻结构自重,从而实现了由梁系结构向杆系结构方向的发展,使结构受力更合理,经济性更好,同时为了满足开设门窗洞口和建筑规则整齐的要求,又进一步出现了将桁架中的斜立柱去除的结构,即空腹桁架结构,实现了较大跨度的跨越,可广泛应用于多、高层建筑的转换层以及对旧建筑的加层改造等大跨度结构中。 目前有关空腹结构的理论已日趋完善,尤其是空腹桁架、空腹网架、空腹夹层板结构。但大多是关注于这三种结构的结构型式、受力性能、计算方法等方面,而从结构施工角度入手的却不多见,因此需要对大跨度现浇钢筋混凝土空腹桁架梁施工技术进行探索研究。关键技术原理：空腹桁架由上下弦杆和直腹杆组成,该结构构成中没有斜腹杆,可充分利用结构空间,能够广泛应用于大跨度建筑中。通过BIM技术对施工架体搭设以及桁架钢筋粗密、跨度大、截面大的梁柱接头进行三维模拟,进行下弦梁钢筋、立柱钢筋的绑扎,支设下弦梁与立柱的模板,浇筑下弦梁混凝土,待混凝土达到强度后,绑扎上弦梁钢筋,并支设上弦梁模板,浇筑上弦梁以及立柱混凝土,混凝土强度满足要求后拆除模板以及支撑架。两次支模,两次浇筑混凝土以确保空腹桁架整体稳定性以及成型质量。课题通过对高大模板支撑体系的安全计算研究和关键部位搭设加固措施,确保高大模板的施工安全。通过技术研究,项目针对复杂的上弦梁和立柱模板支设施工难点,进行了BIM三维深化设计,提出了空腹桁架梁“两次支模两次浇筑”混凝土浇筑工艺,确保了空腹桁架梁的施工质量;研发了辅助监测技术,装置制作简单、操作方便,确保了高支模施工安全。攻关技术指标：通过BIM技术对钢筋混凝土空腹桁架施工架体搭设以及桁架钢筋粗密、跨度大、截面大的梁柱接头三维模拟、虚拟施工,实现对钢筋混凝土空腹桁架施工技术研究,保证桁架整体施工质量。满足混凝土质量控制指标： 项目 允许偏差（mm） 轴线位置柱、墙、梁8 垂直度层高≤6m10 >6m12 全高（H）≤300mH/30000+20 全高（H）>300mH/10000且≤80 标高层高±10 全高±30 截面尺寸柱、墙、梁、板+10,-5 表面平整度8 课题经郑州市城乡建设局组织专家评价,研究成果达到国内领先水平。针对复杂的上弦梁和立柱模板支设施工难点,进行了BIM三维深化设计,提出了空腹桁架梁“两次支模两次浇筑”混凝土浇筑工艺,确保了空腹桁架梁的施工质量;研发了辅助监测技术,装置制作简单、操作方便,确保了高支模施工安全。
1.空腹桁架结构
采用桁架来处理大开间柱网是一种受力合理又经济性良好的方式, 但是建筑设计出于立面造型和采光等方面的考虑不希望有斜腹杆影响建筑空间, 空腹桁架结构的设计形式随之而生。空腹桁架系由上弦杆、下弦杆及直腹杆组成, 相比一般的桁架, 其受力特点为以弯曲变形为主, 除了承受弯矩和剪力外, 同时承受轴力。在荷载作用下, 空腹桁架受力均匀、传力明确、结构合理, 而且其抗侧刚度大, 提供了较强的耗能能力、抗震性能好。结构模型如图 1 所示。
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2.钢筋混凝土空腹桁架式概述
从结构受力上看, 由于高层建筑结构下部楼层受力很大, 上部楼层受力较小, 正常的结构布置应是下部刚度大, 墙体多、柱网密, 到上部渐渐减少墙柱数量, 以扩大柱网。这样结构的正常布置与建筑功能对空间的要求整好相反。因此为满足建筑功能要求, 结构必须进行“反常规设计”, 即将上部布置小空间、下部布置大空间;上部布置刚度大的剪力墙, 下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置, 就必须在结构转换的楼层设置水平转换构件, 即转换层结构。在高层建筑中设置转换层可以实现以下建筑功能:一是提供大的室内空间 (框支剪力墙) ;二是提供大的入口 (筒中筒结构) 。
转换层的主要结构形式有:梁-柱体系;桁架体系, 包括空腹桁架、斜杆桁架、混合桁架以及墙梁体系等。它们可以是常规的平面体系, 也可以是刚度很大的空间体系, 包括格构式体系、筒体体系、箱梁体系等。
3.空腹桁架施工重难点及对策
（1）空腹钢桁架施工重难点：①高强螺栓连接节点多，螺栓使用量大，对加工及安装精度要求高；②核心筒之间的桁架需要在二层楼面搭设支撑胎架；③混凝土结构坡屋顶上立胎架。
（2）空腹钢桁架施工对策：①桁架钢梁对接处，腹板及翼缘板的连接板螺栓孔，根据安装后钢梁位置，现场钻孔；②连接体结构跨度 26m，钢梁分两段在胎架上拼装连接；计算混凝土结构受力情况，局部进行加固。
4.施工方法
4.1 总体施工顺序
钢结构由下至上逐节安装，先安装核心筒钢柱，核心筒混凝土结构达到设计要求强度后进行上段钢柱安装；两侧核心筒 6～8 层施工完成并达到强度后进行空腹桁架安装，空腹桁架采取楼面立胎架，高空组装。钢结构安装顺序如下：4 层以下 4 个核心筒钢柱安装完→核心筒 4 层混凝土浇筑完成→核心筒钢柱及空腹桁架6～8 层安装→支撑胎架拆除→空腹桁架 11 层及屋面层安装→屋顶桁架结构安装。
4.2 空腹桁架吊装及施工
4.2.1 空腹桁架布置及节点构造（见图 2）
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4.2.2 空腹桁架分段及起拱
空腹桁架施工方案：空腹桁架采取高空拼装，即:下 3 层（6～8 层）按整体拼装单元，跨中在裙楼顶设置临时胎架，在楼面钢筋混凝土施工前卸载临时胎架；上部桁架结构以下 3层桁架结构为安装基础，高空拼装。
（1）桁架分段。桁架的弦杆根据胎架设置的有利位置及塔吊起重量能力分为两段进行吊装，分段位置以 A 轴线上桁架为例，如图 3 所示。
（2）桁架起拱。根据设计要求，6～11 层桁架起拱值为3/1000，屋顶层桁架起拱值为 1/1000。本次起拱选取三点折线起拱，其中跨中起拱量为 78mm。
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4.2.3 空腹桁架施工
（1）胎架安装。空腹桁架共有 13 榀，每榀桁架下方设置一胎架，胎架立于裙楼楼顶部。经验算为保证胎架下方混凝土结构能够承受胎架荷载，胎架柱底位于混凝土柱顶上。胎架底部与混凝土柱中预埋件焊接，上部四周拉设揽风绳固定，揽风底部与预埋在混凝土中钢筋连接。
（2）钢梁吊装。单体核心筒之间空腹桁架分布在四个区域，结构形式、钢梁规格及跨度均相同，以其中一个区域对施工流程做说明。钢梁吊装顺序：第一步，设置桁架拼装胎架，分段安装桁架 F6 层下弦杆；第二步，桁架 F6 层下弦杆对接；第三步，安装 F6 层中间 2 根弦杆之间的主梁；第四步，再安装 F6 层两侧弦杆之间的主梁及所有次梁；第五步，安装F6~F7 之间的竖腹杆、F7 层弦杆至 F8 层弦杆及各层弦杆之间的钢梁，形成空间整体桁架结构，然后进行临时胎架卸载；第六步，安装 F8~F9 层之间的竖腹杆、F9 层弦杆至 F12 层弦杆及各层弦杆之间的钢梁，完成空腹桁架结构钢结构安装，浇筑各层楼面混凝土。
（3）注意事项。根据设计总说明要求，连接体钢结构组合楼板混凝土需在所有钢结构桁架安装结束后进行浇筑。空腹桁架卸载前，不应进行楼层板混凝土浇筑。每层空腹桁架施工需要等到该层核心筒混凝土强度达到设计值 80%。
4.2.4 空腹桁架卸载
（1）空腹桁架卸载条件。当空腹桁架施工满足如下要求后方可进行卸载：①6～8 层桁架形成后，楼面（6～8 层核心筒之间连接体）混凝土尚未浇筑；②核心筒 6～8 层施工完成并达到设计要求的卸载时混凝土强度要求；③6～8 层的桁架结构安装完成，所有节点连接完毕，进行全面检查确认，并经验收合格后进行。
（2）空腹桁架卸载步骤。根据对桁架 3 层施工完成、5 层施工完成和空腹桁架整体完成三种工况进行计算分析，桁架在卸载后的结构变形最大值为 11.2mm，因此确定在桁架 6~8层形成后进行临时胎架卸载。空腹桁架共分为四个独立的单元，各单元卸载独立进行。每个单元具备上述卸载条件可以卸载。经过计算分析，胎架最大卸载量为 11.2mm，卸载量较小，因此采用桁架下弦杆支撑胎架支撑处托板的千斤顶进行卸载。每次卸载 3~5mm，直至桁架下弦杆与胎架脱离，完成卸载。
4.3 钢梁施工及吊装
4.3.1 钢梁施工工艺
（1）空腹桁架上、下弦钢梁安装。空腹桁架上、下弦钢梁安装时，利用普通螺栓将钢梁连接，达到临时固定作用，钢梁固定后及时安装钢梁翼缘板连接板，初拧高强螺栓，并逐步用高强螺栓替换腹板位置普通螺栓，并拧紧。为避免腹板连接板与钢梁腹板高强螺栓孔产生较大偏移，钢梁最后对接接头采取连接板现场钻孔措施，如图 4 所示。
图 4 钢梁连接板现场钻孔位置
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（2）桁架弦杆之间的主梁安装。桁架弦杆之间主梁均为铰接连接，采用腹板双夹板连接。桁架弦杆 5.之间主梁安装完成后进行次梁的安装，逐层安装。
（3）外悬挑钢梁安装。6～11 层空腹桁架安装完成后进行悬挑钢梁的安装，钢梁利用倒链和端头安装螺栓临时固定，定位后依次进行上翼缘板连接板安装和下翼缘板连接板安装焊接。
4.3.3 钢梁吊装
钢梁现场吊装采用两点捆绑吊装。钢梁采用钢丝绳捆扎时须采用护角器作保护以防止钢丝绳割伤。经复核，除空腹桁架主梁，其余所有次梁及核心筒钢梁重量较小，吊装工况富余量较大。
结语：本文对其高度较高、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。
参考文献
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