315m超高层SRC巨型劲性柱、钢板剪力墙施工技术

来源：科技建工、钢结构技术

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1  概述

天津诺德金融大厦为滨海新区于家堡金融区第一地标性建筑，总建筑面积21.8万㎡，建筑高度299.7m，塔楼地上64层。塔楼结构采用双重抗侧力结构体系：巨型框架+钢筋混凝土核芯筒，设置8根SRC巨柱，巨柱与核心筒之间设置伸臂桁架。巨柱最大截面3m×2m，伸臂桁架箱形构件最大截面1m×1.5m。-4层到10层设置非加劲钢板剪力墙，高度约65m，钢板厚度20mm、40mm。

诺德金融大厦建筑效果图

（a）整体结构 （b）混凝土核芯筒+伸臂桁架 （c）巨型框架 （d）次框架塔楼结构示意图

2  非加劲钢板剪力墙施工技术

2.1 非加劲钢板剪力墙优化设计

采用Xsteel、AutoCAD、PKPM、3D3S、SAP2000等软件进行验算并设计详细节点，将剪力墙内型钢柱与钢板墙连为一个整体，将钢板剪力墙合理分段，减少现场焊缝数量，确保钢板墙强度。协调钢板剪力墙和外部钢筋混凝土结构变形，采用焊接式钢筋连接器，增强钢筋与钢板剪力墙之间的锚固，杜绝核心筒墙体裂缝。

钢板剪力墙布置图

钢板剪力墙钢筋连接节点图

2.2 非加劲钢板剪力墙变形控制技术

在钢板墙加工时沿水平方向每隔2.4m加设一道竖向加劲板，沿高度方向每层墙顶位置处加设一道水平加劲板以增加端部的平面外刚度。在钢板剪力墙门洞位置处约束相对薄弱，易发生焊接变形，在钢骨柱顶部两侧增设HW200×200×8×12的临时钢梁。

钢板剪力墙焊接时焊接应力影响区往往发生在焊缝两侧300mm的范围内，在300mm范围以外焊接应力随距离的增加逐渐衰减，影响相对减小。沿焊缝方向每1m设置一道加强板PL30×200×600，减少焊接变形。

加强板设置图

2.3 残余应力释放施工技术

首次提出通过应力释放孔来消除残余应力的概念，即先对钢板墙焊接进行施工模拟并结合现场实际的变形情况找出焊接残余应力集中的位置。在应力集中区域预先开设直径100mm的应力释放孔，破坏孔周围的应力平衡，使应力重新调整，缓解残余应力造成的变形。待应力释放完成后再对孔洞进行补强。

残余应力释放现场监测

钢板剪力墙应力释放孔

2.4 双面对称K形坡口焊接技术

采用双面对称K形坡口反面清根焊接的对称焊接工艺；坡口根部间隙调整为2mm，按照“分区进行、每步归零、单板双焊、双板单焊、对称施工”。

双人同时对称施焊接  

单人焊接焊道示意

3  超高层钢结构安装计算机模拟技术应用

3.1 结构内力监测系统

结构施工过程的监测系统主要由传感器系统、数据采集系统、服务器监控系统等几部分组成。振弦式应变传感器布置在巨型柱、钢板剪力墙和伸臂桁架及环形桁架主要钢构件上。

振弦式应变传感器      45度直角应变花    沿柱轴向布置传感器

3.2 施工全过程仿真分析技术

运用SAP2000有限元分析软件，建立单元总数81726个，对整体结构进行一次加载法、近似加载法、分层加载法和精确加载法模拟施工。最终确定最佳的核心筒领先层数在8-12层左右。

核心筒领先施工0、8、12和16层情况下结构的竖向位移云图

3.3 钢结构安装过程变形分析控制技术

巨型柱各个测点应力数值增长较为稳定，符合典型受压构件特点。各测点平均应力值在10~19MPa，相对稳定，满足巨型柱施阶段程安全稳定要求。

主体塔楼SRC巨型柱测点布置图

首层巨型柱应力监测结果表

钢板剪力墙最大压应力为18Mpa，最大拉应力为5Mpa，应力值低于结构设计值，满足施工阶段安全性要求。

钢板剪力墙传感器安装位置

1、2、3号测点应力发展曲线

4、5、6号测点应力发展曲线

水平加强层采用风荷载作为水平控制荷载，其中K形桁架效果较好，能够调节外围巨型柱轴力，剪力承担能力增强，且对于上下相邻楼层结构受力影响较小，故本工程采用K形伸臂桁架结构形式。

伸臂桁架有限元模型

3.4 施工阶段竖向变形分析和补偿

在超高层混合结构施工过程中，混凝土的时间依存特性竖向构件压应力的差异施、工加载顺序以及施工过程中构件长度的调整会导致竖向构件不同的竖向变形。采用通用大型有限元软件MIDAS/Gen进行81个施工阶段结构各楼层的竖向变形。巨柱最大总变形为27.72mm。核心筒剪力墙最大总变形为30.94mm。确定核心筒和外框竖向构件每5个楼层进行长度补偿。

4  SRC巨柱施工技术

SRC巨型钢柱，25层以下一层一节进行分段，25层至顶层二层一节进行分段。伸臂桁架与巨柱连接节点最大重量达到52.5吨，将伸臂桁架节点进行优化分解。

52.5t伸臂桁架层SRC巨柱节点分解

SRC巨柱在工厂制作完，安装定型防护平台，采用动臂塔吊进行吊装。（巨柱吊装文件夹）采用全站仪进行极坐标测量定位。

SRC巨柱地脚螺栓安装主要控制点

连接耳板设置图

SRC巨柱吊装图

SRC巨柱吊装测量图

SRC巨型柱安装

5  伸臂桁架层施工技术

5.1 伸臂桁架节点设计优化

本工程伸臂结构20~22层贯通钢梁截面尺寸为□1400×500，48~50层贯通钢梁截面收缩为□1400mm×300，通过对钢构件受力特性分析，将接头形式进行调整，满足施工和结构安全要求。

采用坡口套筒的方式，加强混凝土结构与钢结构连接。贯通梁采用一端连接板一端坡口套筒的连接方式，确保结构钢筋轴心受力。

超高层建筑的核心筒与外部结构的竖向变形差异是必然发生的，特别是当核心筒与带状桁架之间设有外伸桁架时，会增大结构的附加应力。本工程采用的连接板滑动临时固定法，采用高强螺栓临时连接。

5.2 伸臂桁架高空一次安装技术

伸臂桁架层的施工进度，将对整个工程的施工部署和安排造成极大的影响，常规工程核心筒贯通钢梁考虑构件截面大、超重吊装，选择一层钢结构一层混凝土的施工原则。本工程为解决土建与钢结构的施工穿插和工程进度的矛盾，安装前采用Midsa/gen进行有限元软件分析，通过增设临时永久支撑的方式，满足核心筒贯通钢梁的施工状态下结构稳定性验算，实现了伸臂桁架层高空一次整体安装。

贯通钢梁临时支撑设置

伸臂桁架钢结构高空一次安装图

伸臂桁架的巨型箱型钢支撑安装阶段在连接处采用高强螺栓临时固定，连接耳板螺栓孔设置成椭圆形的长圆孔，待伸臂桁架两侧压缩变形稳定后再进行焊接连接。

 

斜腹杆安装图

5.3 伸臂桁架焊接技术

伸臂桁架层最大钢板厚度为100mm，单层伸臂桁架贯通钢梁现场焊接焊缝总长155.5m，其中板厚100mm的焊缝116m，单条焊缝最长为2.4m。

通过制定合理焊接顺序，采取焊接反变形控制和高强螺栓临时锚固措施，有效控制了伸臂桁架施工的焊接变形。

    

6  100mm超厚钢板焊接施工技术

【……部委采用了100mm厚Q345GJC钢板，焊接质量控制难度大，工艺复杂】GJC选用药芯焊丝二氧化碳气体保护焊的焊接方式，以钢衬垫单V型坡口焊为主要形式。焊接前对焊道两侧150mm范围预热，预热温度120℃。焊接顺序采用错层多道错位焊接，层间温度应控制在180℃~210℃之间。焊接完成后，同预热方式对焊件进行后热消氢处理。温度加热至250℃~300℃范围，然后用岩棉覆盖，恒温2.5~3小时再缓冷。

100mm贯通钢联焊接节点

 

100mm箱型柱焊接节点

100mm梁柱拼接节点

多层多道焊示意图

试件焊接

焊前钢板预热

现场焊接多层多道

7  结语

通过以上各项技术的综合应用，该工程荣获“天津市钢结构金奖”“中国钢结构金奖”“中国工程内设优秀焊接工程一等奖”等钢结构专业奖项。

315m超高层SRC巨型劲性柱和钢板剪力墙施工技术，技术属于国内领先水平，非加劲钢板剪力墙焊接变形控制和伸臂桁架高空一次拼装能大幅度提高施工速度，确保了超高层施工工期、质量和安全，创造了巨大的社会效益。