巨型钢框架多核心筒结构体系中钢板剪力墙的安装

中国建筑第八工程局有限公司天津分公司 天津 300452

1 工程概况

天津市滨海新区于家堡金融区起步区03-04地块工程占地面积约3.4万 m2，总建筑面积约19.3万 m2，建筑高度60 m，地上12 层，地下2 层，为巨型钢框架多核心筒结构体系，主体结构总用钢量约4.5万 t。地上设计为8 个钢结构核心筒体与外围钢管柱框架结构拉结的形式，8 个核心筒体均由方钢管柱、钢板剪力墙和加劲肋、边框梁以及钢骨柱组成，地上核心筒钢板剪力墙厚度有20 mm和30 mm两种。

巨型钢框架多核心筒结构形式效果图、核心筒钢结构分别如图1、图2所示。

图1 巨型钢框架多核心筒结构体系效果图

2 钢板剪力墙安装关键技术

2.1 总体安装方法

于家堡金融区起步区03-04地块工程地上8 个核心筒边框柱间自首层至12层均设置有钢板剪力墙，由于钢板剪力墙在结构正常使用过程中作为一抗侧力构件，不承担竖向荷载。因此，采取先安装钢板剪力墙并临时固定，保证在主体钢结构安装施工前使钢板剪力墙不受竖向力，待全部钢结构安装完毕后再进行焊接施工，最后达到整个核心筒钢结构整体受力的状态。具体步骤如下：

图2 核心筒钢结构示意

1）首先按照设计图纸要求，吊装钢板剪力墙两侧钢管边框柱，随后进行柱间焊接施工。

2）在钢结构加工厂内将钢板剪力墙顶面与边框梁下翼缘拼装完成，运送至现场后整体进行吊装，若构件自重较大，则需分段吊装，如图3所示。

3）吊装后，边框梁与两侧钢管边框柱伸出的牛腿焊接施工，之后采用螺栓将钢板剪力墙两侧边与钢管边框柱附带板边通过预留孔临时固定牢固。钢板剪力墙底边自由，如图4所示。

4）上述做法反复进行至全部钢结构安装完成，随后将钢板剪力墙两侧与钢管边框柱附带板、底部与边框梁上翼缘附带板采取双夹板与角焊缝的焊接方式进行拼接，拼接完成后取出临时固定螺栓，完成施工。

图3 钢板剪力墙整体吊装

图4 钢板剪力墙与边框柱附带板螺栓连接临时固定

2.2 钢板墙焊接时间的分析确定

钢板剪力墙作为一种抗侧力构件，具有较大的弹性初始刚度，当承受外力作用时其变形能力大，具有很好的塑性和稳定的滞回特性。因上述特点并结合钢板剪力墙自身的形状特征，由于其宽厚比大，在侧向力较小时易发生局部屈曲，同时随着侧向力逐渐增大，拉力沿着钢板墙角向传递至周边梁柱节点位置，从而对边框柱形成附加弯矩。

通过上述分析可知，在进行钢板剪力墙体安装施工时，钢板剪力墙焊接前整个钢结构体系需全部安装完成，结构变形趋于稳定后即可进行钢板剪力墙的焊接施工。

2.3 大尺度钢板剪力墙焊接施工过程数值模拟和焊接工艺的确定

由于本工程钢板剪力墙平面尺寸大，边框构件约束作用强，焊接时会产生较大的焊接应力及变形。鉴于国内外对此类剪力墙的施工方法缺乏相关经验，针对本项目拟选取2 种典型区格的剪力墙（板厚分别考虑30 mm、20 mm），如图5所示。

图5 典型区格的钢板剪力墙体

采用ABAQUS软件建立典型区格的三维钢板剪力墙实体模型，考虑热-结构耦合效应，通过焊接方案数值分析比较，对焊接工艺进行评定，确定合理的施焊顺序，减小焊接应力和变形。具体思路如下：

模压工艺参数对聚酰亚胺树脂压缩强度的影响及其数学模型的建立方 琳 BURYA A I俞鸣明任慕苏 KALINICHENKO C B EREMINA E A (2,272)

1）针对典型区格1和2，建立简化合理的三维实体模型，包括梁柱、钢板剪力墙、焊缝（与剪力墙连接的两侧边和底部焊缝）等；

2）根据施焊工艺与次序，进行焊接施工热分析模拟，计算出焊接过程中钢板剪力墙的温度场分布；

3）根据温度场分布，对钢板剪力墙进行结构分析，计算出钢板剪力墙的焊接残余应力和变形；

4）通过对比分析、计算并进行上述步骤焊接方案计算比较，最终确定钢板剪力墙合理的焊接工艺、施焊顺序，即总体焊接自上而下逐层进行，单层钢板剪力墙体焊接施工时，先两侧、后底部，两侧施焊对称同时自上而下进行的焊接施工顺序。

2.4 钢板墙的应力、应变和变形监测

2.4.1 主体钢结构安装施工顺序

本工程地上主体钢结构安装施工通过建立模型、分析计算以及施工方案的论证优化得出钢结构安装基本施工顺序为：

1）第1阶段：完成对1～7层（30 m以下）结构的施工；

（2）对1～7层（30 m以下）钢管柱浇筑混凝土。

2）第2阶段：完成8～12层结构的施工；

（1）先不浇筑钢管柱里的混凝土，按分层找平法完成8～12层钢板墙吊装、框架、桁架的安装和楼板的施工；

（2）对8～12层钢管柱浇筑混凝土。

3）第3阶段：自上而下焊接完成1～12层钢板剪力墙。

2.4.2 钢板剪力墙监测设备及测试范围

根据工程周期长、结构形式复杂的特点，钢板剪力墙监测设备选用振弦式传感器，其具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、温度影响小、性能稳定可靠、耐振动、寿命长等特点，且不受电缆长度的影响并在使用区间有限部位仅需一个小截面即可安装。同时，采用TPS1000高精度精密全站仪进行钢板剪力墙的变形测试。

选取的测试范围：

1）1#、2#、7#、8#核心筒位于M和K轴线上2层至12层钢板剪力墙应力；

2）3#、4#、5#、6#核心筒位于10和16轴线上2层至12层板剪力墙应力；

3）3#、4#、5#、6#核心筒位于10和16轴线上边框柱水平变形；

4）3#、4#、5#、6#核心筒位于10和16轴线上边框柱竖向压缩变形。如图6所示。

图6 测试部位布置

2.4.3 钢板剪力墙监测施工

施焊前，将钢板的表面清洁干净，不能有氧化物或污染物，以免影响焊接质量，距离焊缝20 cm（传感器安装位置处）要把防锈漆刮掉以提高该位置热能释放能力。在测试过程中详细记录了施焊位置及相应时间，焊接过程中，在现场全程对温度和应变传感器实施数据采集，通过红外测温仪密切监控传感器处钢板温度，确保传感器处于正常工作温度范围内工作，以保证监测数据正确有效。剪力墙的平面外变形测试采用全站仪测试，仅测试焊接施工完成后的变形。

2.4.4 钢板剪力墙监测结果

根据钢结构安装施工顺序，通过采用上述监测设备及监测方法并结合施工模拟分析得知，焊接完成1～12轴钢板剪力墙后结构的变形和应力理论分析如图7～图9所示。

图7 建立施工模型分析

图8 柱最大水平位移、竖向压缩变形

图9 钢板墙理论应力、应变分析

上图中理论分析的具体数值和通过上述理论分析指导、经现场实际监测的数据对比如表1所示：

表1 不同施工阶段柱和钢板墙理论应力、实际应力、变形值

通过上述分析得知，测得的钢板剪力墙及柱的应力、应变和变形实际监测数据均低于理论分析值，钢结构整体安装施工处于安全可控状态，能够满足要求。

3 结语

于家堡金融区起步区03-04地块工程巨型钢框架多核心筒结构体系中钢板剪力墙安装施工关键技术，充分考虑了钢板剪力墙作为抗侧力构件在钢结构体系中的受力特点。通过临时固定、后焊接以及采用热-结构耦合效应分析确定合理的焊接施工顺序并利用监测手段对理论数据与实际监测结果进行对比分析等方式，使得钢板剪力墙的变形得到控制，解决了钢板剪力墙在钢结构未完全加载受侧向力较小时易发生局部屈曲，从而形成拉力带最终对柱形成附加弯矩的难题。同时钢板剪力墙后焊接不占用主导工序时间，节约工期、降低施工难度、保证施工质量，为类似工程施工提供了借鉴。该项钢板剪力墙安装施工方法已申请了国家专利，专利号为201210109137.1。