深圳京基100超高层钢结构整体变形控制技术.docx

深圳京基100超高层钢结构整体变形控制技术刘曙 ，陆 建 新 ，刘 晓 斌 ，许航 ，张涛( 中建钢构有限公司 ，广 东 深 圳518057 )摘 要 深 圳 京 基 100 超高层钢结构整体变形控制 包括整体垂直度和竖向变形控制 ，采用内控法和经纬仪外控法 相 结合的方法控制项目的垂直度 ，采用钢筋混凝土核 心筒施工超前钢框架外框筒施工 、伸臂桁架采用分次合龙技 术和钢筋混凝土核心筒与钢框架外框筒之间的钢梁采 用 一边铰接一边刚接的方式消除结构各层框筒内外相对变 形 ，通过上述整体变形控制技术保证了工程整体垂直度和竖向变形满足规范要求 ，确保工程顺利进行 。关 键 词 高 层 建 筑 ; 钢 结 构 ; 变 形 控 制 ; 垂 直 度 ; 竖 向 变 形中 图 分 类 号 tu393. 2文 献 标 识 码 a文 章 编 号 1002 -8498 ( 2011 ) 19 -0015 -03overall deformation control technology of skyscraper steel structurein shenzhen king-key 100liu shu，lu jianxin，liu xiaobin，xu hang，zhang tao( china construction steel structure co ，ltd ，shenzhen，guangdong 518057 ，china)abstract: skyscraper steel structure in shenzhen king-key 100 deformation control includes the overallperpendicularity and vertical deformation control authors control the verticality with internal controlmethod and theodolite external control method they eliminate relative deformation with the method ofadvanced construction of steel frame tube in core tube，gradation closure technology of semi-girder trussand rigid connection and hinging joint practice shows that these measures can ensure the verticality anddeformation under controlkey words: tall buildings; steel structures; deformation control; verticality; vertical deformation高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 jgj3 2002规 定 ，竖 向 荷 载 作 用 计 算 时 ，宜 考 虑 柱 、墙 在 施 工 过程 中 轴 向 变 形 差 异 的 影 响 ，并宜考虑在长期荷载作 用 下 由 于 钢 筋 混 凝 土 筒 体 的 徐 变收缩对钢梁及柱 产 生 的 内 力 不 利 影 响，高 层 建 筑 钢 -混 凝 土 混 合 结 构 设 计 规 程 cecs230 2008 则 明 确 指 出 ，高 层 钢 框 架 -混 凝 土 核 心 筒 混 合 结 构 施 工 时 ，应考虑混凝土徐 变 、收 缩 和 钢 框 架 与混凝土剪力墙 之间在重力荷载 作 用 下 的 弹 性 压 缩 变 形 不 同 所 引起的竖向变形差 异 ，并 应 采 取 相 应 措 施 。在 混 合 结 构 体 系 中 ，与 外 钢 框 架 柱 相 比 较 ，混 凝 土 核 心 筒 水 平 截 面 面 积 要 大 得 多 。 然 而 ，就 重 力 荷 载 而 言 ，核 心 筒 所 承 担 的 是 各 层 楼 面 的 内 圈 荷 载 ，而 外 钢 框 架 柱 所承担的是较大 范围的外层楼面 荷 载 以 及 围 护 墙 的 自 重 。 尽 管钢材的弹性模量大 致 是 混 凝 土 的 10 倍 ，但 所 承 担的竖向荷载要 比 核 心筒 大 ，其 工 作 应 力 与 弹 性 模 量 的 比 值 要 比 混 凝 土大 。因 此 ，外 钢 框 架 柱 的 弹 性 缩 短 将 大 于 核 心 筒 的 弹 性 缩 短 。随 着 结 构 层 数 的 增 加 ，自 重 引 起 的 累 积竖 向 变 形 差 异 将 越 来 越 大 。 此 外 ，外 钢 框 架 中 柱 与边 柱 由 于 承 担 荷 载 不 同 ，也 会 产 生 累 积 变 形 差 异 ， 据 估 计 ，1 个 在 钢 结 构 建 筑 中 60 层 高 的 内 柱 ，在 恒 载 和 活 载 作 用 下 可 以 缩 短 50 75 mm; 而 1 个 混 凝 土 立 柱 ，由 于 徐 变 和 收 缩 ，还 可 能 要 附 加 50 76 mm 的 缩 短 量 。1工 程 概 况深 圳 京 基 100 地 下 4 层 ，地 上 100 层 ，建 筑 高 度达 到 441. 8 m，为 巨 型 钢 框 架 -核 心 筒 结 构 。本 工 程 外 框 筒 共 有 16 根 矩 形 钢 管 柱 ，根 据 截 面尺 寸 不 同 分 3 种 : 4 根 角 柱 最 大 截 面 尺 寸 为 3 900mm 2 700 mm 70 mm，材 质 q345 gjc; 南 北面 8 根 边 柱 ，最 大 截 面 为 3 200 mm 2 600 mm 70 mm，材 质 q345 gjc; 东 西 面 4 根 边 柱 ，最 大 截 面收 稿 日 期 2011 -08 -02基 金 项 目 国 家“十 一 五 ”科技支撑计划项目 ( 2006 baj01 b02 )作 者 简 介 刘 曙 ，中 建 钢构有限公司高级工程师 ，广 东 省 深 圳 市福 田区泰然八路水松大厦 17 层 518057 ，电 话 : ( 0755 ) 23935361 ，e- mail: liushu cscec com50 mm，材 质尺 寸 为 2 300 mm 2 300 mm 16施 工 技 术第 40 卷q345 gjc。柱 截 面 每 20 层 缩 小 一 次 ，壁 厚 由 70 mm逐 渐 变 薄 至 20 mm。外 框 筒 南 北 外 立 面 为 椭 圆 弧 曲面 ，从 1 50 层 向 外 倾 斜 ，从 50 94 层 向 内 倾 斜 ，最大 倾 角 为 10 ; 东 西 面 外 框 边 柱 为 垂 直 柱 。 矩 形 钢管 柱 内 壁 每 边 均 有 竖 向 肋 板 ，楼层 中部和楼层处设 有 横 向 肋 板 ，柱 内 设 有 3 层 钢 筋 笼 ，分别为圆形或椭 圆 形 柱 内 芯 柱 、紧 邻横向肋板边和 穿越横向肋板的 钢 筋 笼 ，柱 钢 筋 均 为 40 三 级 钢 ，浇 灌 c60 c80 高 性 能 自 密 实 混 凝 土 。在 三 维 巨 型 框 架 中 18 20 层 ，37 39 层 ，55 57 层 ，73 75 层 ，91 93 层 ，共 设 置 5 道 腰 桁 架 ，每道 腰 桁 架 均 为 3 层 高 ，由 下 弦 、腹 杆 、上 弦 组 成 ，杆 件均 为 h 形 截 面 ，最 大 截 面 尺 寸 为 750 mm 750 mm 50 mm 70 mm，材 质 为 q345 gjc。 在 36 40 层 ，54 58 层 ，72 76 层 设 置 3 道 伸 臂 桁 架 ，最 大 板 厚 为130 mm，材 质 为 q420 gjc。 腰 桁 架 的 作 用 相 当 于 巨型 梁 ，不 仅 集 中 传 递 次 结 构 的 竖 向 荷 载 ，还 连 接 巨型 柱 提 高 了 结 构 整 体 的 抗 侧 移 刚 度 。 在 三 维 巨 型 框 架 中 东 西 向 设 置 了 5 道 x 形 巨 型 斜 撑 ，在 5 道 腰 桁 架 之 间 ，巨 型 斜 撑 最 大 截 面 为 1 600 mm 1 400 mm 120 mm，材 质 q420 gjc。设 有 3 道 伸 臂 桁 架 连 接 核 心 筒 和 外 框 筒 ，36 40 层 ，54 58 层 的 伸 臂 桁 架 共 4 榀 ，72 76 层 的 伸 臂 桁 架 共 2 榀 。 伸 臂 桁 架 为 横 贯 南 北 的 通 长 结 构 ，从核心筒中穿过的部分埋 入 剪 力 墙 中 。单 榀 伸 臂 桁 架 最 重 达 338 t，高 4 层 ，钢 板 最 厚 达 130 mm，材 质 为 q420 gjc z25 ，核 心 筒 劲 性 钢 柱 节 点 部 位 含 有 铸 钢 件 。核 心 筒 地 下 4 层 至 地 上 21 层 为 钢 骨 混 凝 土 结 构 ，有 24 根 劲 性 钢 柱 ，最 大 截 面 为 王 字 形 ( 1 300 mm 650 mm 50 mm 70 mm ) ，材 质 为 q345 gjc; 22 76 层 为 钢 筋 混 凝 土 结 构 ; 77 层以上核心筒发 生 较 大变 化 ，仅 剩 下 西 侧 厚 度 为 1 m 的 单 片 墙 和 东 侧7. 45 m 13. 5 m 的 小 方 筒 ，其 中 分 布 有 12 根 劲 性 钢图 1 京 基 100 整 体 结 构 示 意fig 1 effect of kingkey 100高 的控制采用内控法引测 。2. 1控 制 网 的 建 立项 目 的 测 量 控制网包括三级控制网 : 首 级 控制 网总 平 面 定 位 图 ; 二 级 控 制 网布 置 在 0. 000 楼面或基坑内的 各 主 要 轴线 控 制 点 、标 高 控制 点 ; 三 级 控 制 网引 测 在 柱 、梁 、剪 力 墙 、门 、洞口 的 轴 线 控 制 点 、标 高 控 制 点 。2. 2控 制 点 的 向 上 引 测控 制 点 的 向 上 引 测 包 括 平 面 轴 线 控 制 点 、主 楼 标 高控制点的引测 ，平 面 轴 线 控 制 点 的 引 测 采 用 激 光 铅 直 仪 ，主 楼 标高控制点的引测采用全站仪 。 轴 线 、标高基准点垂直传 递 途 径如 图 2 所 示 。柱 ( 850 mm 45 mm ) ，材 质 为 500 mm 45 mm2. 2. 1平面轴线控制点 的 引 测q345 gjc，核 心 筒 既 承 担 重 力 荷 载 ，又 承 担 由 风 和 地震 引 起 的 部 分 剪 力 和 倾 覆 力 矩 ，是 目前深圳在建的 第 一 高 楼 ( 见 图 1 ) 。首 次 在 0. 000 层 混 凝土楼面激光控 制 点上架 设 激 光 铅 直 仪 ，垂 直 向 上 投 递 平 面 轴 线 控 制 点 ，以后 每 隔 42 m 中转一次激光 控 制点 ( 见 图 2 ) 。 为 提 高 激 光 点 位 捕 捉 的 精 度 ，减 少 分 段 引 测 误 差 积 累 ，制 作 激 光 捕 捉 靶 。平 面 控 制 轴 线 测 放 线 步 骤 : 任 意 架 设仪器于钢柱上 m 点 ，后 视 垂 直 引 测 上 来 的 两 通 视 基 准 点 a，b，校 核 两 通 视 点 位 a，b 的 投 测 精 度 至 规 范 允 许 的 范 围 内 ，计 算 通 视 边 、a，b 与 建 筑 轴 线 的 相 对 坐 标 关 系 ，即可测 放 出该 楼层所有的轴线 。2. 2. 2 主楼标高控制点 的 引 测在 高 程 传 递 的 过 程 中 ，标 高 控 制 网 的 垂 直 引 测 采 用 全 站 仪 进 行 ，引 测 原 理 采 用 三 角 高 程 测 量 ，如2整 体 垂 直 度 控 制 技 术对 于 超 高 层 建 筑 ，施工过程中的垂直度控制是 非 常 重 要 的 一 个 环 节 ，其准确度直接关系到建筑结 构 的 施 工 质 量 和 安 全 。 目前 超高层结构的垂直度 控 制 常 用 方 法 主 要 有 内 控 法 、经 纬 仪 外 控 法 、经 纬 仪 天 顶 法 、激 光铅直 仪 法和光学垂准仪 。本 工 程 采用 内 控法和经纬仪外控法相结合的 方 法 控 制 项 目 的 垂 直 度 ，地下室施工阶段的二级控 制 网 采 用 外 控 法 引 测 基 坑 内 的 二 级 控 制 网 ，主 楼 标刘 曙 等 : 深 圳 京 基 100 超高层钢结构整体变形控制技术 2011 no 35017行 控 制 ，项 目 完 工 后 对 外 框 4 角 柱 ( z2 -1 ，z2 -2 ，z2 -3和 z2 -4 ) 、西 面 1 边 柱 ( z3 -1 ) 、东 面 1 边 柱 ( z3 -2 ) 、南 面 1 边 柱 ( z1 -6 ) 和 北 面 1 边 柱 ( z1 -2 ) 进 行 复 测 。垂 直 度 的 测 点 布 置 在 矩 形 钢 管 柱 外 面 中 点 ，根据 京 基 100 项 目 建 筑 特 点 ，外 框 筒 南 北 外 立 面 为 椭 圆 弧 曲 面 ，从 1 50 层 向 外 倾 斜 ，从 50 94 层 向 内 倾 斜 ，最 大 倾 角 为 10 ; 东西面外框边 柱 为垂直柱 。 外 框 4 角 柱 ( z2 -1 ，z2 -2 ，z2 -3 和 z2 -4 ) 和 东 面 2 边 柱 ( z3 -1 和 z3 -2 ) 东 面 实 测 垂 直 度 与 设 计 垂 直 度 最 大 偏 差 为 23 mm，小 于 jgj3 2002 规 定 的 30 mm 的 要 求 。3竖 向 变 形 控 制 技 术京 基 100 采 用 的 钢 框 架 -混 凝 土 核 心 筒 混 合 结 构 ，这 种 结 构 体 系 存 在 结 构 构 件 间 竖 向 变 形 差 异 问 题 。直 接 原 因 是 由 于 柱 、墙 、核 心 筒 等 竖 向 承 力 构 件 之 间 的 材 料 特性及应力水平差异 。 此 外 ，混 凝 土 的 收 缩 和 徐 变 、施 工 方 法 导 致 的 施 工 安 装 时 间 差 异在 超 高 层 结构中的累积效应也 将 进 一 步 加 大 这 种 竖 向构件之间的变形差异 。工 程 施 工 中 为 保 证 结 构 各 层 的 标 高 满 足 设 计 要 求 ，采 用 施 工 找 平 法 控 制 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 和 钢 框 架外框筒的标高 ，采 用 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 施 工 超前 钢 框 架 外 框 筒 、伸 臂 桁 架 采 用 分 次 合 龙 技 术 和 钢 筋 混 凝 土 核心筒与钢框架外框 筒 之 间 的 钢 梁 采 用 一 边 铰 接 一边刚接的方式消除 结 构 各 层 框 筒 内 外 相 对 变 形 。图 2 轴 线 、标高基准点垂直传递途径示意 fig 2 vertical deliver way of axis and elevation control point图 3 所 示 ，计 算 式 为 z = z0 + h + lsin。图 3 三角高程原理示意 fig 3 triangle elevation principle sketch3. 1结 构 标 高 控 制 措 施地 上 楼 层基 准 标高点首次由全站仪从首层楼 面 竖 向 引 测 ，每 升 高 42 m 引 测 中 转 一 次 ，42 m 之 间 各 楼 层 的 标 高 用 钢 卷 尺 顺 主 楼 核心筒外墙面往上 量 测 。全 站 仪 引 测 标 高 基 准 点 的 方 法 如 下 : 在 0. 000 层的混 凝 土 楼面架设全站仪 ，输 入 当 时 的 气 温 、气 压 数 据 ，对 全 站 仪 进 行 气 象 改 正 设 置 。 全 站 仪 后 视 核 心 筒 墙 面 1. 000 m 标 高 基 准 线 ，测 得 仪 器 高 度 值 。对 仪 器 内 z 向 坐 标 进 行 设 置 ，包 括 反 射 棱 镜 的 常 数 设 置 。 全 站 仪 望 远 镜 垂 直 向 上 ，顺 着 激 光 控 制 点 的 预 留 洞 口 垂 直 往 上 测 量 距 离 ，顶 部 反 射 棱 镜 放 在 土 建 提 模 架 或 需 要 测量标高的楼层位 置 ，镜 头 向 下 对 准 全 站 仪 。 由于全息反射贴片配合 远 距 离 测 距 时 反 射 信 号 较 弱 ，影响测距的精度 ，故本 工 程 用 反 射 棱 镜 配 合 全 站 仪 进 行 距 离 测 量 。 计 算 得 到 反 射 棱 镜 位 置 的 标 高 后 ，用水准仪后视全 站 仪 测 得 的 标 高 点 ，计算水准仪仪高值 ，将 该 处 标 高 转移到 剪 力墙侧面距离 本 楼 层 高 度 1. 000 m 处 ， 并 弹 墨 线 标 示 。2. 3 实 施 效 果采 用 上 述 方 法 对 深 圳 京 基 100 项 目 的 垂 直 度 进3. 1. 1钢筋混凝土核心筒 京 基 100 项 目 在 钢 筋 混 凝土核心筒施工过程 中 ，建 造 新 的 楼 层 时 其 混 凝 土 浇 筑 高 度 是 按 照 设 计 标 高 来 控 制 的 ，也 就 是 用 多 浇 筑 混 凝 土 的 方 法 来 补 偿 下 部 已 建 楼 层 所 产 生 的 弹 性 、徐 变 和 收 缩 变 形 ， 即 采 用 施 工找平法对施工过程 中 发 生 的 竖 向 变 形进 行 了 部 分 调 整 。3. 1. 2钢 框 架 外 框 筒京 基 100 项 目 在钢框架外框筒 施 工 过 程 中 ，为保 证整个建筑物 的 设 计 标 高 不 受 影 响 ，每 次 标 高 引测 均 从 0. 000 开 始 ，始终按设计标高控制每次吊 装 的 柱 顶 标 高 。 层高偏差控制目标为 5 mm。 当 层 间 高 度 偏 差超限时可通过液压 千 斤 顶 调 节 上 一 节钢 柱 标 高 的 方 法 来 达 到 对 钢 柱 标 高 进 行 控 制 的 目 的 。3. 23. 2. 1结 构 竖 向 变 形 差 控 制 措 施施 工 顺 序在 高 层 混 合 结 构 体 系 施 工 时 ，核 心 筒 领 先 施 工( 下 转 第 26 页 )26施 工 技 术第 40 卷6. 5混 凝 土 浇 筑1 ) 混 凝 土 按 每 900 mm 高 浇 筑 一 次 ，每 段 混 凝 土7结 语1 ) 从 仿 生空间多变异形曲 面 钢筋混凝 土 筒 体结 构的成功实施 可 知 ，施 工 出 的 异 形 筒 体 实 体 感 观很 好地体现出设 计 所 要 表 达 的 艺 术 效 果 ，得 到 了 创 意 方 好 评 。其 创 新 点 为 : 以“微 分 ”的 平 面“积 分 ” 组 成 空 间 曲面的思路来解决仿 生 空 间 多 变 异 形 曲 面 钢 筋 混 凝 土 筒 体 的 内 、外 曲 面 模 板 成 型 难 题 ，并 通 过 沿 高 度分节制作解决混凝 土 筒 体 结 构 成 型 过 程 中 遇 到 的 立 面 流 线 型 变 化 的 连 续 性 问 题 。 首 次 借 助 catia、autocad 的 二 次 开 发 应 用 软 件 ，通 过 大量的数据处理 ，输 出 每 座 流 体 结 构 各 标 高 水 平 剖 面的定位曲线 图 的 坐 标 点 ，使 曲 线 上 的 各 点 均 以 平 面 直 角 坐标点的数据交给施 工 班 组 进 行 定 位 模 板 的 施 工 放 样 。 首 次 使 用 造 价 低 廉 、便 于 切 割 下 料 的 夹 板 来 制 作“流 体 ”结构水平剖面定 位 模 板 和 外 模 ; 同 样 ，应 用 便 于 成 型 的 钢 板 网 和 钢 筋 网 作 为 “流 体 ”结 构 内 模 。2 ) 通 过 本 结 构 施 工 技 术 的 实 施 ，为 钢 筋 混 凝 土 空 间 多 变 异形曲面筒体结构施 工 提 供 了 借 鉴 和 依 据 ，填补了该项施工工 艺 的 空白 。浇 筑 时 应 对 称 、水 平 环绕筒体壁一次浇筑 、不 留 施工 缝 。2 ) 地 下 室 内 混 凝 土 的 浇 捣 采 用 塔 式 起 重 机 + 料 斗 的 方 式 进 行 。 混 凝 土 进 料 时 ，运输车停在地面 上 向 料 斗 送 料 ，然后由塔式起重 机 将 料 斗 从 中 间 b 区 预 留 区 域 吊 运 至 操 作 层 堆 放 ，做 到 随 浇 随 吊 。 每 层 流 体 2 /3 高 度 以 下 区 段 ，由人工从操作层楼地面 用 泥 桶 向 筒 体 壁 内 灌 混 凝 土 ，混凝 土工站在钢管操 作 架 上 振 捣 混 凝 土 ; 2 /3 高 度 以 上 区段在筒体内模 板 上 口 设 置 高 500 mm、宽 500 mm 漏 斗 形 浇 筑 口 ( 此 时 筒 体 内 侧 为 空 ) ，混凝 土 工站 在该层楼板上振捣 混 凝 土 。3 ) 流 体 的 地 上 部 分 与 地 下 部 分 不 同 ，连 接 体 与 各 异 形 筒 连 成 一 体 ，每段混凝土浇 筑时绕异形体筒 壁 一 次 浇 筑 、不 留 竖 向 施 工 缝 ，连接体尽量少留竖 向 施 工 缝 。 混 凝 土 在汽车泵够的着的地方采用汽 车 泵 泵 送 ，其 余 区 域 采 用 塔 式 起 重 机 + 料 斗 运 输 的 方 式 进 行 浇 筑 。( 上 接 第 17 页 )能 够 提 前 发 展 混 凝 土的徐变与收缩 ，从 而 减 小 柱 、筒 间 的 整 体 竖 向 变 形 差 异 。 但 是 ，混 凝 土 的 徐 变 、收 缩 会 引 起 连 接 柱 、筒的钢框架梁 产生很大的附加 弯 矩 和 剪 力 ，给 构件带来强度破 坏 的 危 险 。 当 核 心 筒 领 先 施 工 的 层 数 过 大 时 ，还 会 产 生 反 向 差 异 ( 核 心 筒 的 竖 向 变 形 大 于 钢 框 架 柱 ) ，结构体系施工期 间 在 风 荷 载 作 用 下 的 水 平 位 移 也 越 大 。 因 此 ，根 据 施 工 经 验 和 现 场 钢 筋 混 凝 土 核 心筒和钢框架外框 筒 的 施 工 进 度 ，钢 筋混凝土核心筒 施工领先钢框架 外 框 筒 6 10 层 。3. 2. 2 伸 臂 桁 架在 施 工 过程 中 内外筒的沉降压缩变形是不一 致 的 ，因 此 连 接 内 外筒的伸臂桁架 大斜臂吊装就位 后 ，不 能 立 即 合 龙 。 而是采取分次合龙技术 ，即 大 斜 臂 吊 装 就 位 后 ，先 合 龙 与 外 筒 柱 连 接 一 侧 并 焊 接 ，与 钢 筋 混 凝 土 核心筒连接一侧 采用高强螺栓连 接 ，在 伸 臂 桁 架 安 装 到 第 2 道 时 焊 接 第 1 道 伸 臂 桁 架 ，伸 臂 桁 架