600米级超高层钢结构节点可实施性设计重点研究

范志昂　张百振

摘要：近年来，随着我国建筑行业的迅猛发展，使得超高层的建筑兴起；同时，也带动了建筑工程取材的改变。建筑钢结构因其强度较高、抗震能力较强等特征，逐渐应用到超高层建筑工程中。但对于600米级超高层钢结构来说，其节点十分复杂，施工的难度较大。因此在施工前，必须重点研究其实施性设计的可行性和必要性，以确保施工的质量和安全性。

关键词：600米级；超高层钢结构节点；实施性设计

600米级超高层钢结构建筑的主体结构与其他的超高层结构明显不同，属于巨型框架核心筒伸臂桁架结构体系，加之核心筒主要是通过内嵌钢板组成的剪力墙，相较于一般的混凝土结构，钢结构的承载能力更好，且连接更为方便，但钢结构节点的设计及施工要求较高，本文主要探讨600米级超高层钢结构节点可实施性设计，以供参考。

1 工程概况

本次主要就A、B、C三座在建的600m级超高层钢结构节点进行研究，三座超高层的建筑主体结构均为巨型框架核心筒伸臂桁架结构体系。巨型框架主要是由环带桁架、巨型柱组合而成，核心筒属于内嵌单层钢板的组合式剪力墙。上述结构的构件尺寸非常大，钢结构节点十分复杂，施工难度大。

A座在建工程的建筑高度是632m，地上建筑共128层，而地下建筑共5层；结构体系中，巨型柱8根、角柱4根、无巨型支撑、伸臂桁架6道、环带桁架8根、钢板剪力墙B519F、钢结构的重量约10万吨。

B座在建工程的建筑高度是660m，地上建筑共115层，而地下建筑共5层；结构体系中，巨型柱8根、无角柱、有巨型支撑、伸臂桁架4道、环带桁架7根、钢板剪力墙B512F、钢结构的重量约10万吨。

C座在建工程的建筑高度是636m，地上建筑共125层，而地下建筑共5层；结构体系中，巨型柱12根、无角柱、无巨型支撑、伸臂桁架4道、环带桁架10根、钢板剪力墙B541F、钢结构的重量约8万吨。

2 600米级超高层钢结构节点施工的可行性

根据三座在建600m级超高层钢结构受力特点，均采取的是巨型结构体系，并包含了巨型伸臂桁架、环带桁架以及整体式的SRC巨型柱；因此，所使用的钢结构构件的尺寸超大，节点十分复杂且巨大。

2.1 注脚节点

三座在建600m级超高层钢结构的巨型柱脚尺寸极其巨大，其中：

A座在建工程巨型柱底板的厚度为160mm，巨型柱底板的尺寸为4100×2740mm，柱脚形式为外露式，巨型柱锚栓直径为M60，每个巨型柱柱脚锚栓的数量为50个，巨型柱底板的锚栓孔径为Φ90.底板锚栓孔的施工方法为后孔法。

B座在建工程巨型柱底板的厚度为150mm，巨型柱底板的尺寸为5742×2450mm，柱脚形式为埋入式，巨型柱锚栓直径为M60，每个巨型柱柱脚锚栓的数量为23个，巨型柱底板的锚栓孔径为Φ90，底板锚栓孔的施工方法为后孔法。

C座在建工程巨型柱底板的厚度为160mm，巨型柱底板的尺寸为3332×2230mm，柱脚形式为外露式，巨型柱锚栓直径为M52，每个巨型柱柱脚锚栓的数量为10个，巨型柱底板的锚栓孔径为Φ78，底板锚栓孔的施工方法为先孔法。

由上述技术指标分析可知，柱脚节点施工中的最大难题是如何确保巨型柱柱脚分段安装时，所有在混凝土大底板上的预埋锚栓能顺利地穿过底板孔。但由于混凝土的大底板必须是一次性浇捣成形，且浇捣的过程中，存在巨大的水平推力，而为克服水平推力的影响，须设置柱脚锚栓以固定支架。

除此之外，为进一步提升抗风险的系数，A、C两座建筑巨型柱底板锚栓孔施工的方法均选择了后孔法，此种施工方法还有一次调整的机会，能够确保施工的万无一失。

2.2 钢板剪力墙的连接节点

三座在建600m级超高层钢结构核心筒下部所使用的均是内嵌单层钢板组合式剪力墙，整体均呈现出九宫格的形式。而钢板剪力墙的安装和分段通常是长方形状，竖向跨越了两个楼层，约10m；而横向<3.2m。[1]

钢板剪力墙分段的上下连接节点主要采用的是焊接节点，而左右端口主要采用的是栓接节点，此种节点连接方式的最大优势在于加快了安装的速度以及减少了焊接的工程量等；但缺点是须使用大量连接板以及高强螺栓，增加了工程造价。另外，还存在一个技术方面的缺陷，即螺栓穿孔率难以保证；而要进一步保证螺栓的连接，就必须采取更为行之有效的对策，即焊接节点。

2.3 楼面梁和巨型柱连接节点

三座在建600m级超高层钢结构体系施工的方案主要是核心筒领先外框约610层，巨型柱钢结构、楼面钢梁施工同样领先巨型柱外包混凝土约610层。

但由于钢骨巨型柱的周边，存在着比较厚的混凝土结构，其与楼面钢梁连接增加了施工难度，致使楼面梁和巨型柱連接节点也与普通钢梁连接的节点大不相同。而在设计楼面梁和巨型柱连接节点时，须考虑：①钢梁和钢骨巨型柱之间的可靠连接；②不会影响到巨型柱混凝土模板的建设以及爬升；③须便于巨型柱周边的钢筋绑扎。

2.4 伸臂桁架和核心筒的连接节点

三座在建600m级超高层钢结构的核心筒使用的是顶模平台系统以实施核心筒墙体结构作业；而顶模系统将钢筋、模板和混凝土浇筑等工程集合在一个系统之中，大大提升了核心筒结构施工的效率。[2]且在实施有关作业期间，实现了作业的全封闭，从而使高空作业转变成平台作业，提升了高空作业的安全系数。但由于三座在建600m级超高层钢结构存在多道的伸臂桁架，其在和核心筒进行连接时，在靠近核心筒部位处存在一个尺寸较大且超出核心筒的牛腿节点，严重妨碍了顶模平台系统作业，阻碍了施工进度；而为进一步缩短外伸的距离，只能通过焊接节点的方式来控制牛腿伸出的距离。

2.5 强化层桁架工地的连接节点

强化层桁架工地的连接节点主要包括：伸臂和环带桁架、核心筒、巨型柱安装分段的连接节点，这些节点不仅影响到结构整体的性能，而且还关系着整个结构的可靠性和稳定性。

3 600米级超高层钢结构节点可实施性设计

依据三座在建600m级超高层钢结构特征，在结构设计的阶段，须考虑现场施工的+可实施性，即实施性设计。在进行实施性设计时，还必须确保：项目建设区域实际情况、施工单位作业能力、设备水平等应纳入考虑的范畴内；要拟定超重、超大构建安装和运输方案；设计文件应包含超重、大采购、制度和施工等的技术要求和可操作性。

3.1 柱脚节点可实施性设计

（1）不管是埋入式还是外露式的柱脚，其底板锚栓孔的直径必须采用1.5倍锚栓直径，以满足施工的要求；

（2）巨型柱底板锚栓可选用先孔法；

（3）设计的图纸上必须明确巨型柱、钢板剪力墙的底板锚栓固定等措施，同时，要求施工企业制定科学、合理地专项施工方案，进而确保锚栓准确定位。

（4）根据实际底板浇筑工况计算并设置巨型柱柱脚锚栓的固定支架。

（5）施工的图纸上，必须标明柱脚锚栓固定支架的做法。

3.2 钢板剪力墙的连接节点实施性设计

（1）钢板剪力墙的厚度不足30mm时，上、下连接节点可采用焊接的方式，左、右连接节点则可采用焊接或栓接的方式。

（2）钢板剪力墙的厚度在30mm及以上时，上、下、左、右连接节点均采用焊接的方式。

（3）若采用的是栓接方式，应告知施工单位加入相应的措施以确保螺栓的穿孔率。

（4）从实施性的角度来看，全焊接节点是较为理想的一个方案；但为进一步克服焊接的工程量，施工人员应积极引入高效的焊接方案。

（5）钢板的剪力墙上应设置混凝土流淌孔，从而避免或减小因混凝土搅拌不均匀而造成的变形，并保证钢板剪力墙的上、下两个连接段的垂直度。

3.3 楼面梁和巨型柱连接节点的实施性设计

楼面钢梁、巨型柱钢结构施工是先进行外包的混凝土施工从而致使钢骨巨型柱的周围存在较厚的混凝土结构，最终增加了楼面钢梁的连接难度，且连接的结节也与普通的钢梁连接节点不尽相同。因此，应在巨型柱的周边钢梁和钢骨间设置连接的过渡段。为进一步确保钢骨及其周围钢筋的连接，应在巨型柱的周边钢梁过渡处保留安全储备。

3.4 伸臂桁架和核心筒连接节点的实施性设计

伸臂桁架和核心筒連接节点应选用焊接方式，且施工单位还应在保证焊接质量的同时尽可能选用焊接机器人或指定特定的工艺和流程。同时，将实施性纳入到考虑的范畴内，将连接伸臂桁架和核心筒内柱的牛腿外伸距离控制在600mm以内。[3]

3.5 强化层桁架工地的连接节点的实施性设计

（1）应优先考虑焊接的节点，进而减少吊装分段重量、尺寸，以提升钢结构可实施性；（2）对于关键的节点，应对现场焊接的质量提出重点检测要求。

4 结论

根据600米级超高层钢结构建筑所具有的结构特征，应在各个结构设计前期全面的引入实施性的设计，综合考虑施工便捷性、安全性、可控性去优化重要节点以便从经济上、技术上及管理上确保钢结构的质量。

参考文献：

[1]倪志刚.600米级超高层钢结构节点可实施性设计重点探讨[J].建筑钢结构进展，2016，18（1）：6674.

[2]汪金祥，刘曙，戴维，等.BIM技术在超高层复杂外框巨柱钢结构节点优化设计中的应用[J].施工技术，2017，46（24）：7678.

[3]胡明.浅析多层及超高框架钢结构建筑节点连接施工方法[J].建筑工程技术与设计，2016，（16）：11251127.