目前,我国高层建筑正处于上升和发展的阶段。经济发展、人口增加、城市建设都要求加速高层建筑的兴建,我国高层建筑的设计与施工技术正进入国际先进水平。然而,超高层建筑随着高度的不断增加会出现侧向刚度不足、核心筒内力偏大的缺陷,为此设计上需要通过设置一种抗弯抗剪刚度较大的外伸桁架来增加结构的抗倾覆能力。伸臂桁架的设置势必带来施工复杂、工期延长的特点,这也是国内高层建筑施工工程中普遍遇到的大难题。兰州盛达金城广场项目作为西北地区的一座超高层建筑,在该项目建造过程中,中国著名的建筑工程专家廖爱勇提前对焊接节点进行研究分析,并在施工过程中不断总结优化,最终找出更加合理的质量和技术保证措施,为超高层伸臂桁架焊接提供技术支持。
为此,在本期建筑行业杰出人才访谈中,我们特邀廖爱勇先生并对其进行访谈,廖爱勇从专业的角度,通过实例为建筑从业者讲解伸臂桁架焊接这个被誉为当今高层建筑施工领域最前沿最具挑战的技术之一。
资料图:廖爱勇(左)讲解超高层建筑伸臂桁架焊接施工技术控制要点与质量控制
目前我国超高层建筑广泛采用核心筒与外框架相结合的结构形式,为了保证结构整体的抗侧刚度,减小底部墙体的拉力,设计时必须考虑伸臂桁架的设置问题。廖爱勇从兰州盛达金城广场超高层项目出发,提出了创新的解决方案,针对伸臂桁架焊接重点、难点进行分析总结,最终解决了这一个困扰高层建筑设计和施工的难题,在这个过程中,廖爱勇积累了相关的技术和施工经验,他针对焊接控制要点提出的现场解决方案为后续类似工程提供了借鉴,对建筑行业具有积极的意义,填补了该领域的技术空白。
兰州盛达金城广场项目总建筑面积217 877.29 m2,其中地下建筑面积为44 330.85 m2,地上建筑面积为173 546.44 m2。地上主要由A塔楼、B塔楼、裙楼三部分组成,其中A塔楼层数为39层,高度为176.1 m;B塔楼层数为51层,高度为212.4m,裙楼共9层将A,B塔楼连为一个整体,地下室共3层。A塔楼、B塔楼采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构,裙房采用钢管混凝土框架-剪力墙结构。结构上利用避难层 (A塔楼25层,B塔楼25和40层) 作为加强层,沿双方向4条轴线设置钢结构伸臂桁架。另外B塔楼在加强层同时沿周边设置斜腹杆桁架水平环带以进一步提高整体刚度。
该建筑在A楼25层、B楼25层及40层设置避难层,在结构上利用这些避难层来作为该建筑结构的加强层。加强层层高为4.8 m,在每个加强层沿双方向4条轴线设置钢结构伸臂桁架,连接核心筒以及外框架柱,以增大结构的侧向刚度,抵抗水平力的作用。
为了减小核心筒与周边框架的纵向变形差产生的伸臂桁架中的次应力,廖爱勇创新式地对伸臂桁架中的斜腹杆采用滞后连接。对于仅设1个加强层的A塔楼,伸臂桁架可在主体结构施工完成后进行封闭。对于设置2层加强层的B塔楼,25层伸臂桁架可以在施工40层伸臂桁架后封闭,40层伸臂桁架可在主体结构完成后封闭。
廖爱勇针对焊接控制要点提供现场解决方案
廖爱勇对钢梁与牛腿现场连接节点进行优化,他按照设计蓝图节点要求,伸臂桁架钢梁与牛腿间连接节点为半刚性连接,钢梁翼缘为带垫板全焊透对接焊缝,腹板为高强螺栓连接节点。但由于现场安装影响因素较为复杂,误差难以控制,在该节点深化时,廖爱勇对钢梁与牛腿连接节点进行改造,改为刚性连接,翼缘位置焊接方式不变,取消腹板高强螺栓节点,改为焊接连接。节点改变的目的主要是便于现场消化吸收安装及制作的累计误差。由于焊缝为带垫板焊接,若组对间隙稍大,垫板宽度可消化掉多余的间隙尺寸,保证正常焊接。若组对间隙过小,现场通过火焰切割或打磨的方式对构件多余尺寸进行修改。
廖爱勇做好焊接变形控制,严格执行变形控制工艺
伸臂桁架钢梁及钢柱牛腿材质均为Q345GJC-Z15钢,焊接H型钢横截面尺寸为H550 mm×400mm×30 mm×50 mm和H550 mm×400 mm×30 mm×40mm。现场焊接方法为CO2气体保护焊,焊接材料选用带有自保护功能和工艺性能更好的药芯焊丝,焊丝直径为1.2 mm。1榀桁架需要焊接20处节点,焊缝总长度为27 m,焊接工作量较大,且均为厚板焊接。现场共计8榀伸臂桁架,面对如此大的焊接量,如何控制焊接变形,使结构发挥出最佳的结构功能作用是现场需要解决的一大难点。
结构上,8榀钢梁2个1组分布在核心筒东南西北4个角上,4个方向上的桁架间由于核心筒混凝土早已施工完成,不存在明显的焊接传力。廖爱勇以任意1榀桁架焊接变形控制进行操作和说明。首先,遵循对称焊接的原则,1根钢梁两端同时施焊,焊接参数、焊接速度尽量保持一致;其次,对于钢梁两端组对后间隙差别较大的情况,应先焊接收缩量大的一端;再次,多层多道焊焊接电流不宜过大,焊接速度可稍快一些,减小焊接摆动;最后,焊缝背部需焊接防变形的加劲板,防止单面焊热输入过大引起变形。另外,焊接时若天气潮湿、气温较低时应增加焊前预热和焊后缓冷措施。
廖爱勇对其他焊接要点的技术采取控制措施
(1) 伸臂桁架钢梁车间分段制作伸臂桁架结构主要是由上下横梁、两端钢柱及十字钢梁组成。钢梁预制时十字钢梁应进行散拼。钢梁散拼后虽然增加了现场焊接量,但减小了现场安装难度,有利于焊缝组对质量控制。
(2) 焊接应尽量错开大风季节或大风天气由于伸臂桁架安装所在位置较高,风速较大。现场焊接方法为CO2气体保护焊,焊接区域并无结构遮挡物,全部外露,当环境风速稍大, 结构内便会产生过堂风,在此条件下若无防风措施,便不具备焊接条件。
(3) 焊接作业不宜在冬季施工若焊接时处于冬季,天气较冷,钢板温度过低,焊接前需进行加热处理。由于伸臂桁架板厚较大,加热升温工作量大。为防止焊缝出现裂纹,焊缝焊接完成后不可直接暴露于冷空气中,需要采取缓冷措施,给施工带来一定不便。在冬季进行超声波检测,由于耦合剂多为水性,遇到焊缝时会迅速结冰,对焊缝检测也产生一定的影响。
通过对盛达金城广场项目超高层项目避难层伸臂桁架安装焊接施工的技术疑难解决,廖爱勇的创新做法在建筑领域属于首创,是一次成功的突破,成功地掌握了超高层伸臂桁架安装焊接的技术要领,他的技术方案为降低现场施工难度,加强对施工重点问题的预防和监控提供了可靠的技术保障和宝贵的经验,为中国打造更多质量精品工程提供了又一个可以借鉴的成功案例。
廖爱勇在访谈临近结束时总结道,随着社会经济的发展和建筑材料技术的不断进步革新,高层建筑在近些年得到突飞猛进的发展,各类的高层建筑如雨后春笋。这也对建筑结构设计人员的技术水平提出了更高要求。面对笔者提及的接下来的科研方向,廖爱勇强调,由于超高层建筑结构的特殊性,建筑内部的梁柱将会不可避免的存在,在结构设计中要考虑异形柱的使用,特别是在超高层住宅户型设计中,充分全面考虑梁柱的影响、规避及利用是设计的难点,也是他今后需要攻破的方向。
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