天津高银117大厦超长超大直径锚栓群施工技术.pdf

2015 年 1 月下第 44 卷第 2 期施工技术CONSTUCTION TECHNOLOGY9DOI:10.7672/sgjs2015020009天津高银 117 大厦超长超大直径锚栓群施工技术*陈志刚1，2，叶建2(1 武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉430072;2 中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉430064)摘要随着钢板-混凝土组合剪力墙、钢管混凝土柱、型钢混凝土柱等构件形式愈加广泛地应用于超高层建筑结构中，上述构件与基础筏板连接时面临的超长超大直径锚栓群施工问题愈发突出。基于天津高银 117 大厦巨型钢柱及钢板-混凝土组合剪力墙底部超长超大直径锚栓群施工实际，通过模拟试验，分析得出大体积混凝土水化过程中混凝土自身应变对锚栓初始应力的影响在设计允许范围内;基于这一结果，将带套筒的锚栓优化为直埋式的锚栓，保证了施工质量，加快了工期;通过设置锚栓支撑架、分段分片吊装，保证了锚栓的精准定位以及固定的可靠性。通过上述研究，形成了大直径锚栓群定位技术、大直径锚栓群安装施工技术、大体积混凝土应变对超长大直径高强锚栓初始应力影响分析等超长超大直径锚栓群施工关键技术。关键词高层建筑;锚栓;初始应力;定位;吊装 中图分类号TU758.11 文献标识码A 文章编号1002-8498(2015)02-0009-06Construction of Super-long and Super-large DiameterAnchor Bolts in Tianjin Gaoyin 117 BuildingChen Zhigang1，2，Ye Jian2(1 School of Civil and Architectural Engineering，Wuhan University，Wuhan，Hubei430072，China;2 General Construction Company of CCTEB Group Co，Ltd，Wuhan，Hubei430064，China)Abstract:With the wider application of steel plate concrete shear wall，concrete filled steel tubularcolumn and steel reinforced concrete column in super high-rise building，construction issues of super-longand super-large diameter anchor bolts are more prominent when the above members are connected to thefoundation raft Based on the construction practice of super-long and super-large diameter anchor bolts ofthe giant steel column and steel plate concrete shear wall of Tianjin Gaoyin 117 Building，it is concludedthat the effect of the concrete strain on initial stress of anchor bolts is in design range through testanalysis According to the result above，the anchor bolt with sleeve is optimized to the directly-embeddedanchor bolt，which increases the quality of the project and reduces the schedule;positioning accuracyand fixation reliability of anchor bolt are assured by means of bracing frame and segmentation lifting of theanchor bolts Based on the research above，construction of super-long and super-large diameter anchorbolts is got，which consists of technology of locating anchor bolt，technology of hoisting anchor bolt，analysis of the effect of mass concrete strain on initial stress of super-long and super-large diameter anchorboltsKey words:tall buildings;bolts;initial stress;location;hoists*中建三局研发课题项目(CSCEC3B-2011-39)作者简介 陈志刚，副总经理，高级工程师，E-mail:380827210qq com收稿日期2014-09-10钢板-混凝土组合剪力墙(混凝土内包钢板和劲性钢骨)、钢管混凝土柱、型钢混凝土柱等由于其优越的抗震及抗火性能而广泛用于超高层建筑结构中。我国结构设计中仅在钢管柱或劲性柱中设置有锚栓，在剪力墙中设置钢板并预埋锚栓的，目前国内尚属初步使用阶段;在巨型柱锚栓应用方面，尚无直径超过 50mm、长度超过 5m 的锚栓相关应用;对于长度、直径均特别大，锚栓数量多的超长超大直径锚栓群施工，国内外尚无较全面的研究1-6。因此，超长超大直径锚栓群定位及安装等施工技术难题亟待解决。本文基于天津高银 117 大厦巨型柱及钢板剪力10施工技术第 44 卷墙底部锚栓施工实际，对超长超大直径锚栓群施工涉及的相关关键技术难点进行研究，形成了大直径锚栓群定位技术、大直径锚栓群安装施工技术、超大体积混凝土收缩对大直径超长高强锚栓初始应力影响分析等成套超长超大直径锚栓群施工关键技术。1工程背景1.1工程简介天津高银 117 大厦是一幢以甲级写字楼为主，集六星级豪华酒店及其他设施为一体的大型超高层建筑(见图 1)。大厦总建筑面积 37.4 万 m2，地下 4 层，地上 117 层，结构高度 596.2m，混凝土总用量约 19 万 m3，总用钢量约 14 万 t，建成后将成为中国结构第一高楼。图 1天津高银 117 大厦效果Fig 1Effect of Tianjin Gaoyin 117 Building天津高银117 大厦采用巨型框架支撑+钢筋混凝土核心筒结构体系，内筒为混凝土内包钢板和劲性钢骨的剪力墙结构，外筒由四角4 根巨型钢柱与巨型桁架、巨型斜撑共同组成(见图 2)。巨型柱、剪力墙钢板和劲性钢骨均通过预埋锚栓与基础筏板连接。1.2锚栓特点天津高银 117 大厦巨型柱柱脚锚栓采用直径75mm 的高强锚栓，强度等级为 835 级，上下两端直径为90mm，长度5 540mm，埋入深度约5.5m。单根巨型柱柱脚锚栓共 337 根，合计 1 348 根。锚栓材质抗拉极限强度 1 080MPa，屈服强度 835MPa。锚栓理论屈服荷载 3 687kN，理 论 破 断 荷 载 4 548kN。如图 3 所示。天津高银 117 大厦剪力墙底部锚栓分 2 种:直径 50mm 的高强锚栓，上下两端直径为 60mm，长度 5 125mm，单片剪力墙钢板底部固定锚栓共 167根，合计668 根。锚栓材质抗拉极限强度1 080MPa，屈服强度 835MPa。锚栓理论屈服荷载1 638kN，理论破断荷载2 020kN。直径 30mm 的普通锚图 2天津高银 117 大厦底板平面布置Fig 2Layout plan of Tianjin Gaoyin117 Building foundation raft图 3巨型柱锚栓Fig 3The giant column anchor bolts栓，强度等级为 345 级，上下两端直径为 60mm，长度1 200mm，单片剪力墙底部锚栓共54 根，合计216根。如图 4 所示。1.3施工技术难点1)高强锚栓最大直径为 75mm，长度达 5.5m，质量约 0.3t，制作、运输及吊装难度大。2)底板高强锚栓数量大，筏板桩头钢筋密集，底板主筋层数多、钢筋直径大，锚栓定位与钢筋冲突多，且锚栓施工给定的时间短，锚栓群的支撑架系统设计要求高。3)基础筏板厚、混凝土强度高，混凝土收缩对锚栓初始应力影响难判断，给施工带来不确定性。针对上述施工技术难点，施工方首先通过模拟试验，分析得出混凝土水化过程中混凝土自身应变对锚栓初始应力的影响在设计允许范围内;基于这2015 No 2陈志刚等:天津高银 117 大厦超长超大直径锚栓群施工技术11图 4钢板-混凝土组合剪力墙锚栓Fig 4Steel plate concrete composite shear wall anchor bolts一结果，将带套筒的锚栓优化为直埋式锚栓，保证了施工质量，加快了工期;在此基础上通过研发超长高强锚栓群定位工具，优化吊装工艺，保证了锚栓的精准定位以及固定的可靠性。2混凝土应变对高强锚栓初始应力的影响研究2.1试验目的由于缺乏在大体积混凝土中直接埋设高强锚栓的技术资料，而大体积混凝土内部温度发展变化及其干缩徐变对高强锚栓初始应力的影响较为复杂，故在高强锚栓实际预埋之前，开展大体积混凝土中埋设高强锚栓的模拟浇筑试验，监测高强锚栓的应力变化规律，研究大体积混凝土应变对内埋的高强锚栓初始应力的影响规律，为实际施工提供技术支持。2.2测点布置1)锚栓、温度补偿管及导线引出管的布置将3 根 5.3m 长的锚栓布置于正方形中心附近，锚栓顶部露出混凝土块顶面 0.5m，平面布置如图 5 所示。1，2，3 即代表 3 根锚栓，并在距每根锚栓 0.4m 处布置 2 根钢管，分别为温度补偿管和导线引出管。锚栓、温度补偿管和导线引出管用支撑架固定于相应位置，如图 5 所示。2)补偿片布置在温度补偿管 A1，A2，A3 埋设深度 3.3m 附近焊接 2 块小铁片，A1，A2，A3 每个铁片上粘贴一个高温温度补偿应变片，并在钢管埋设深度 1.3m 和 4.3m 的位置以同样的方式各焊接一块小铁片并分别粘贴普通温度补偿应变片，每根图 5锚栓平面布置Fig 5Layout plan of anchor bolts钢管需粘贴温度补偿应变片 4 个，共计 12 个，温度补偿应变片导线分别从温度补偿管 A1，A2，A3 内部引出地面。为避免温度补偿管焊接后温度过高而使应变片损坏，在焊接时应注意及时进行冷却处理。3)应变片布置在锚栓表面每隔 1m 粘贴 2 个应变片，测点分别布置于锚栓埋设深度 0.3，1.3，2.3，3.3，4.3m 处。每根锚栓 10 个测点，共计 30 个测点。1 号锚栓下部 6 个测点采用高温应变片，2，3号锚栓埋设深度 3.3m 处两个测点采用高温应变片，其余测点均采用普通应变片，导线绕导线引出管 B1，B2，B3 引出地面。2.3数据监测本次监测共 3 根高强锚栓，长度 5.5m，顶部测点距高强锚杆表面 0.3m，底部测点距高强锚栓底部0.5m，每根杆件布置 10 个测点，3 根杆件共 30 个测点。测量采取 YE2539 高速静态应变测试系统的前4 个通道，第 1，2 通道接高温应变片，第 3，4 通道连接普通应变片。本次监测从混凝土浇筑后进行监测，监测时间为 21d，每天从上午 8 点到下午 5 点进行连续监测，监测时间间隔为 5min，重点监测混凝土浇筑后温度及混凝土收缩徐变等对高强锚栓变形的影响。2.4监测数据及分析(见图 6，7)通过对高温应变片的分析可知:高温应变片的测量结果在 11 月 18 日后即浇筑混凝土 12d 后基本稳定，测点的峰值应力为 400MPa 左右，稳定后的应力都 250MPa。通过对普通应变片的分析可知:普通应变片的应力水平较低，应力都在 200MPa 以下。因此，大体积混凝土水化过程中混凝土自身应变对锚栓初始应力的影响在设计允许范围内，无需在锚栓外设置套筒来减小锚栓初始应力，可直接在大体积混凝土埋设高强锚栓。12施工技术第 44 卷图 6高温应变片测点应力时程曲线Fig 6Time-history curves of the stress of monitoringpoints with high temperature strain gauge图 7普通应变片测点应力时程曲线Fig 7Time-history curves of the stress ofmonitoring points with traditional strain gauge3超长超大直径高强锚栓群定位技术3.1支撑架的设计与分析超长超大直径高强锚栓群定位的关键在支撑架的设计，高强锚栓群支撑架分为巨型柱锚栓支撑架和剪力墙锚栓支撑架 2 种。支撑架梁、柱采用 HW125 125 6.5 9，内部斜撑采用50 5，定位槽钢采用 20a，10a，钢材材质均为 Q235B，连接形式为角焊缝焊接。支撑架主要由型钢组成的柱、梁架体和定位角钢两部分组成，定位角钢通过在角钢上开孔，锚栓穿过孔与角钢锁定固定，高强锚栓通过定位角钢固定在支撑架上，支撑架起到保证锚栓群整体稳定的作用。考虑到底板底层钢筋的绑扎，支撑架采用上下两节分开的形式，首节为独立的型钢立柱，之间无横梁连接，第 2 节为支撑架主体，包括柱、梁和斜撑。3.1.1巨型柱锚栓支撑架巨型柱两节支撑架平面划分为 8 个单元，划分原则为:最大宽度不超过 4m，如图 8 所示。图 8单根巨型柱支撑架Fig 8Bracing frame for single giant column3.1.2钢板剪力墙锚栓支撑架剪力墙两节支撑架划分为 11 个单元，第 1 节为独立柱，高 1.65m;第 2 节为整体架体，高 3.85m，如图 9 所示。图 9钢板-混凝土组合剪力墙支撑架Fig 9Bracing frame for the steel plateconcrete composite shear wall3.1.3支撑架受力计算支撑架的竖向传力路径为:高强锚栓定位槽钢支撑架横梁支撑架立柱柱脚。支撑架侧向传力路径为:外侧框架斜撑柱脚。基于上述传力路径分析，采用 MIDAS 软件对支撑架体系进行受力分析。3.1.3.1巨型柱支撑架验算1)材料力学特性参数构件材质为 Q235B，根据支撑架对锚栓定位作用的要求，不考虑钢材的塑性变形特征，按线弹性材料考虑。2)边界条件支撑架柱脚通过膨胀螺栓与混凝土连接，并且在底板底层钢筋绑扎后，钢筋围绕支撑架立柱会起到箍紧的作用，计算中假设所有立柱底端柱脚边界条件为铰接。3)荷载条件锚栓成排地排列在定位槽钢上，计算中荷载按2015 No 2陈志刚等:天津高银 117 大厦超长超大直径锚栓群施工技术13照加在定位槽钢上的线荷载处理。施工中水平力主要为土建钢筋在某个标高上的碰撞影响，所以水平力按照加载在支撑架最上一道横梁上的线荷载处理。最不利情况为支撑架受到水平力和竖向力的共同作用，竖向力考虑锚栓重力 6kN/m 与施工荷载3kN/m 共同作用，10kN/m 线荷载作用在定位槽钢上。根据建筑施工模板安全技术规程 JGJ1622008 中第四章第一节第 4 条“荷载及变形值的规定”，混凝土浇筑时由于浇筑面高差引起的侧向压力值，按公式 F=cH 计算，其中 c=24kN/m3为混凝土的重度。取1m 宽支撑架，混凝土浇筑高差按最大值考虑，即两侧高差呈45，则 H 取值为1m，侧向压力 F=cH=24 1=24kN/m2;支撑架柱及横梁截面均为H125 125 6.5 9，现将浇筑时混凝土与支撑架接触面按柱与横梁截面均值考虑，取接触面为 200mm，支撑架长取最大值24m，则作用于支撑架的侧向集中力 FN=24 24 0.2=115kN。整个巨型柱支撑架长24m，则作用于支撑架上线荷载 q=115kN/24m=4.8kN/m，故在考虑水平力时取混凝土浇筑的侧向力为5kN/m。计算模型如图10 所示。图 10巨型柱支撑架计算模型Fig 10Calculation model of bracingframe for giant column4)计算结果柱脚最大反力 61kN，支座底板为 200mm 200mm 10mm 钢板。基础应力为1.53MPa，防水保护层使用 C20 混凝土，抗压强度为 9.2MPa，立柱基础满足抗压要求。杆件最大应力 98MPa，满足要求。杆件最大变形 5mm，满足要求。3.1.3.2剪力墙支撑架验算1)材料力学特性参数构件材质为 Q235B，根据支撑架对锚栓定位作用的要求，不考虑钢材的塑性变形特征，按线弹性材料考虑。2)边界条件所有立柱底端采用铰接处理，斜撑支座采用铰接处理。3)荷载条件最不利情况为支撑架受到水平力和竖向力的共同作用，竖向力考虑锚栓重力 6kN/m 与施工荷载3kN/m 共同作用，10kN/m 线荷载作用在定位槽钢上。水平力考虑施工中钢筋网片和混凝土浇筑的侧向力，取 5kN/m。计算模型如图 11 所示。图 11钢板-混凝土组合剪力墙支撑架计算模型Fig 11Calculation model of bracing framefor steel plate concrete composite shear wall4)计算结果柱脚最大反力 64kN，支座底板为 200mm 200mm 10mm 钢板。基础应力为 1.6MPa，防水保护层使用 C20 混凝土，抗压强度为 9.2MPa，立柱基础满足抗压要求。杆件最大应力 147MPa，满足要求。杆件最大变形 8mm，满足要求。3.2高强锚栓的定位技术对超长锚栓的固定分上、中、下 3 道定位措施，高强锚栓与支撑架连接定位，主要以下端粗略定位与固定、中部限位、上端准确定位的原则。1)下部定位 H 型钢下部定位 H 型钢焊接在支撑架最下一道横梁的下表面，主要作用为承载锚栓，将锚栓下端与支撑架固定。采用 HW125 125 6.5 9 制成，在 H 型钢上焊接 2 道钢筋，作为锚栓的定位孔，方便锚栓的安装，锚栓下端穿进定位孔后螺母与钢筋焊接固定。2)中部限位槽钢限位槽钢焊接在支撑架最上一道横梁的上表面，主要作用为控制锚栓偏位，限制锚栓倾斜或者偏移。采用 2 道 10 制成，槽钢在锚栓两侧将锚栓夹紧限位，为保证锚栓定位的准确性，在锚栓另外侧即垂直于 2 道槽钢方向，焊接 2块小钢板或钢筋条，从 4 个方向同时控制锚栓位置。3)上部定位槽钢上部定位槽钢与支撑架不连接，主要作用为定位锚栓位置，控制锚栓顶端水平位移。采用 20a 制成，在腹板上开孔，作为锚栓14施工技术第 44 卷的定位孔。带有上部定位槽钢的高强锚栓分片吊装完成，并在锚栓位置测量校正后，将上部定位槽钢连成整体，在锚栓群上端形成整体的定位框架，限制锚栓位移。如图 12 所示。图 12高强螺栓定位技术Fig 12Location technology for high strength bolts4超长超大直径高强锚栓群的吊装技术4.1支撑架吊装在防水保护层达到一定强度后开始单根吊装第 1 节立柱，在筏板底部钢筋绑扎完毕后分片整体吊装第 2 节支撑架，支撑架分单元吊装，吊装前需要在单元立柱顶端焊接吊耳，每个单元设置 4 个吊耳。具体吊装工艺:第 1 步:底板垫层及防水保护层施工完成后，在保护层上测放出支撑架独立柱位置;第 2 步:安装支撑架一节独立柱，柱脚与混凝土防水保护层通过 M6 65 膨胀螺栓连接;第 3 步:首节独立柱安装完成后及时用50 5 连成整体，以保证独立柱稳定性;第 4 步:独立柱周围底板底筋绑扎;第 5 步:底板底筋绑扎完毕，吊装独立柱上方支撑架;第 6 步:支撑架下部横梁上安装锚栓下端定位槽钢，定位槽钢焊接在支撑架最下一道横梁下表面;第 7 步:高强锚栓成排吊装就位，吊装措施采用 2 根 6m 长 20a 制成的钢扁担;第 8 步:高强锚栓就位，锚栓下端与支撑架下部定位 H 型钢焊接固定，锚栓初校后，支撑架上部限位槽钢安装，对锚栓位置进行精确固定;第 9 步:依次成排安装其余锚栓，锚栓测量校正后将定位槽钢连接成整体，将锚栓群整体定位;第 10 步:依次安装其余锚栓，直至整个巨型柱脚锚栓安装完毕。如图 13 所示。4.2高强锚栓吊装由于巨型柱、剪力墙高强锚栓数量众多，总数图 13支撑架吊装工艺流程Fig 13Supports hoisting processing达 2 232 根，并要求在 10d 时间内完成所有锚栓的预埋，将单根锚栓的吊装改为成排整体吊装的方法，通过 20a 自制吊装扁担一次吊装 5 6 根锚栓，不仅节省了工期，还大大提高了安装精度，取得了良好的效果。5结语通过上述技术攻关，施工方在 10d 时间内顺利完成了 2 232 根大直径超长高强锚栓群的安装，并且严格地控制了锚栓的预埋精度，顺利通过锚栓的预埋验收，取得了良好的经济效益。通过该新技术的研发和应用，极大地促进了建筑行业超长超大直径高强锚栓群施工技术水平，为今后同类工程施工提供参考和借鉴。参考文献:1许小金，郭福良，何震华，等 高强预应力锚栓在深圳宝安体育场工程中的应用J 建筑施工，2010，32(4):337-3382陈晓明，郁振华，吴欣之，等 广州新电视塔大型倾斜柱脚施工技术J 施工技术，2010，39(5):9-10，503李勇，管昌生，王辉，等 天津高银 117 大厦底板内置钢筋网混凝土温度场及应力场的仿真分析J 施工技术，2014，43(9):10-134王伟，孙伟波，陈诚，等 超高层钢结构支撑架柱脚底座施工技术J 施工技术，2014，43(8):38-405YOKOSE K Anchor frame used during installing anchor bolt infoundation of structural steelwork:JP，2012162898-AP 2012-08-306Nasvik JoeSetting anchor boltsJConcrete Construction-World of Concrete，2005，50(11):70-71