某超高层建筑钢桁架施工方案研究

王嘉良 （山东华天园林绿化有限公司，山东 潍坊 262500）

超高层建筑在现代城市中占据着显著地位，不仅是城市的风景线，还承载着城市发展的重要责任。在众多的结构形式中，钢桁架以其出色的性能和多功能性成为超高层建筑的首选。不仅能够提供卓越的结构支持，还能够轻量化设计，减轻自重负荷[1]，从而推动超高层建筑的发展。然而，钢桁架的结构和施工面临着巨大的挑战。因此，钢桁架的施工方案对于确保建筑质量和安全至关重要[2]。本文旨在研究某超高层建筑项目中的钢桁架施工方案，并深入探讨施工的各个方面，包括构件分段、桁架层钢结构的安装方案、施工工艺以及悬臂桁架支撑的安装与卸载等。关注施工过程中的监测工作，包括监测内容、监测结果及分析以及应力应变监测结果及分析。通过对这些关键施工环节的研究和分析，提供一种更加高效和可行的施工方案，以确保超高层建筑的质量和安全，为超高层建筑钢桁架的施工提供实用的支持和指导，为未来类似项目的成功提供有价值的参考。

1 工程概况

某地标性超高层商业综合体项目位于商业核心区，占地总面积约为65500m2，总建筑面积约为195000m2。项目包括一座28 层的高层塔楼、三层商业裙房以及三层地下室。该项目采用混凝土核心筒-转换钢桁架结构设计，首层设有嵌固层，第三层则设置悬挑转换桁架，层高为9m，沿周边设置的悬挑长度约为12m，构成了全钢构桁架层。从第四层开始，采用混凝土结构，混凝土的强度等级最高为C60，剪力墙的最大厚度为600mm，而第四层以下采用型钢混凝土柱。项目中的悬挑端柱子使用钢管混凝土柱，其他柱子则采用普通混凝土柱。

桁架层采用钢骨混凝土柱框架+悬挂钢桁架结构设计。桁架的上下弦及腹杆都采用箱型构件，部分斜腹杆则采用箱型钢管混凝土。桁架层的结构包括连系桁架和悬挂桁架如图1 所示。连系桁架主要分布于核心筒间区域内，而悬挂桁架则分布在连系桁架的四周，共计40 榀。这些悬挂桁架，每侧各有10 榀，向外悬挑长度为8.4m，并由简单次桁架连接，形成了相对稳定的结构体系。桁架层的钢结构所采用的材质主要为Q390D。结构中包括劲性钢构件，如H 型钢、十字型钢骨柱以及钢板剪力墙。上弦杆和下弦杆均采用了箱型杆，并通过H型钢梁连接。斜腹杆则为箱型腹杆，其内部需注入C60混凝土。

图1 桁架层结构

2 钢桁架施工方案

2.1 钢结构构件分段

超高层建筑的钢桁架施工需要高度的精确性和安全性。为确保施工质量和施工进度的可控性，钢结构采取分段施工。分段施工可以将构件分解为小块，减轻了单次吊装的负荷，减小高空作业的风险，增加整体的施工安全性[3]。

通常，将桁架构件分为上下弦杆、斜腹杆等，并根据构件的长度和重量确定分段的位置。工程所用的塔吊，起重半径为36m，最大起吊构件的重量为11t。为此，将钢桁架合理划分为36个部分，确保每个部分的重量在11t以下，钢桁架的分段如图2所示。其中，钢桁架GJ1、GJ2、GJ3是大型桁架，其他为小型桁架。

2.2 桁架层钢结构安装方案

在桁架层的钢结构安装方案中，安装顺序的选择至关重要。一般先安装连系桁架，再安装悬挂桁架[4]。桁架层位于商业综合体建筑的第三层，其中桁架的下弦位于第三层层底板位置，而上弦则位于第四层的底板位置。桁架的腹杆采用箱型构件，其最大截面尺寸为560mm×850mm，桁架的上弦杆和下弦杆截面尺寸为1200mm×600mm。工程结构采用了劲性框架结构，第二、三层劲性柱浇筑完成后，开始进行桁架层的安装。安装分成4个区域，如图3所示。

图3 安装分区布局

在单个区域内，首先安装连系桁架，然后再进行悬挂桁架的安装。施工的顺序为3区→4区→1区→2区。在立面施工方面，施工顺序为首先进行钢柱和钢板墙的施工，然后进行桁架层的下弦杆和主梁的安装，接下来进行桁架层腹杆的安装，然后是桁架上弦节点的安装，最后进行弦杆和主梁、次梁的安装。

2.3 桁架层钢结构施工工艺

鉴于钢结构桁架层的安装需要与整体施工进度保持协调，并且需要满足平面内的对称安装要求，对桁架层的施工方案进行了详细分解，总共包括16 个施工步骤，见表1。

表1 施工工艺内容

2.4 悬臂桁架卸载

钢桁架工程的悬挑桁架需要临时支撑点众多，对卸载的应力和位移控制提出较高要求。为满足这些要求，采用成熟的格构式砂箱卸载方案来执行整体支撑卸载[5]。砂箱装置由钢制砂粒、钢制活塞杆和钢制套筒组成，每个砂箱设计承载能力达到200t，最大可承载320t。在悬挑桁架的下弦位置，布置临时支撑胎架的支撑点，并在二层平台上安装支座系统。临时支撑胎架采用格构式设计，包括法兰盘支座、格构式标准节、顶部联系梁以及砂箱支撑等组件[6]。卸载砂箱布置如图4所示。

图4 卸载砂箱布置

卸载工序采用砂箱同步卸载方式，一次性同步卸载到位，能够提高卸载效率和确保结构的稳定性[7]。

3 钢桁架施工监测

3.1 监测内容

为确保施工质量、提高结构的安全性与可靠性，钢桁架施工过程需要进行变形量和应力监测。监测内容主要包括桁架层上下弦杆的位移监测和桁架层上下弦及腹杆钢构件的应力应变监测。监测数据有助于分析结构的变形情况以及应力沿构件的分布情况，尤其是对于结构的危险或关键截面处的应力分布和位移情况[8]。还能通过分析应力应变情况，为施工的调整提供重要信息。监测点布置如图5所示。在施工阶段，每天采集记录一次数据，竣工后每周采集记录一次数据。

图5 监测点布置

3.2 结构变形监测结果及分析

通过结构变形监测，可以了解钢桁架在施工过程中的变形情况，能够有效地了解构件的刚度、边界条件以及连接节点性能等情况。监测工作时间段从2022年5月至2023年8月，出现最大变形挠度的监测曲线如图6所示。

图6 最大变形挠度监测曲线

由图6 可知，挠度变形量在前期较小，但是增速较快。至监测阶段20，即建筑封顶，基本完成主体施工后，挠度变形增加速度变缓，最后趋于稳定，最大挠度为28.2mm，处于安全可控范围内，钢桁架结构稳定。

3.3 应力应变监测结果及分析

通过应力应变监测，可以了解结构和构件的内力状态，以及是否存在异常情况，出现最大应力的监测曲线如图7所示。

图7 最大应力监测曲线

由图7可知，施工前期阶段，桁架应力较小，尤其是在桁架层施工完成后的阶段，桁架应力保持稳定。随着高层建筑其他楼层的持续施工，桁架应力不断增大，至建筑封顶后，增速减缓，并逐步趋于稳定。桁架最大应力为63.4MPa，远小于型钢材料Q390D 的屈服极限，桁架在整个施工阶段处于安全稳定状态，表明钢桁架施工方案安全可靠。

4 结语

结合实际的超高层商业综合体工程项目，研究钢桁架的施工方案，得出如下结论：

（1）详细阐述了钢桁架施工方案、施工工艺以及支撑卸载方案，采用分区、分段施工策略以及砂箱同步卸载方式，减小了高空作业的风险，提高了整体施工的安全性，保障了结构的稳定性和安全性。

（2）施工监测结构变形和应力应变监测，结构变形监测结果显示，关键部位的挠度变化范围较小，小于型钢材料Q390D 的屈服极限，桁架在整个施工阶段受力正常，整体结构处于安全稳定状态，验证了钢桁架施工方案的有效性。