超高层建筑施工技术探讨

超高层建筑施工技术探讨熊君放湖南省建筑工程集团总公司0、目录一、超高层建筑概述二、超高层建筑基础施工三、模板系统设计与施工四、钢结构施工五、钢板剪力墙结构抗裂措施六、垂直运输设备七、其他技术措施湖南建工湖南建工一、超高层建筑概述1972年联合国国际高层建筑会议中对超高层建筑的较权威定义为：建筑高度超过100米或楼层40层以上的高层建筑，我国《民用建筑设计通则》中定义高度超过100M的民用建筑为超高层建筑。在我国，20世纪是超高层建筑起步和飞速发展的黄金阶段，1976年建成于广州的白云宾馆（33层，112M）堪称我国第一座超高层建筑，进入21世纪后，随着我国城市建设的飞速发展以及承办亚运会、奥运会等大型国际会议的配套设施建设，400M以上的超高层建筑在我国一线城市拔地而起。随着现代施工技术的不断发展和应用，超高层建筑的结构形式已由最初的框架结构向框-剪、框-筒、剪力墙结构转变；由单一钢筋混凝土结构向钢结构-钢筋混凝土结构、钢-混凝土组合结构的转变。与传统建筑比较，超高层建筑具有高度超高、造型奇特、结构复杂的特点，使得超高一、超高层建筑概述层建筑施工面临诸多的技术难题：1、钢筋砼结构施工难度大，核心筒体型变化大，竖向结构多，模板系统的体型适用性和施工效率要求高。2、砼强度等级高，浇筑高度超高，高强混凝土超高层泵送是个难题。3、钢结构总用钢量大，单个构件重量大，空间分布广，吊装设备选型要求高。4、钢构件板材厚，高空焊接量大，施工环境差，焊接质量控制难。5、垂直运输组织任务重，施工人员和建筑材料运输任务繁重，垂直运输体系设计的好坏，对施工效率影响大。6、施工组织设计面临许多新课题。湖南建工一、超高层建筑概述广州珠江新城东塔，总建筑面积507681平方米，建筑物总高度为530米。塔楼结构形式为带加强层的钢管混凝土巨柱框架筒体结构。东塔钢结构主要分布1外框钢结构外框筒钢柱楼层钢梁桁架层钢结构2核心筒钢结构核心筒钢板剪力墙核心筒劲性钢柱3裙房钢结构裙房多功能厅屋面桁架连廊钢梁湖南建工一、超高层建筑概述湖南建工进入二十一世纪后，全球超高层建筑发展情况一、超高层建筑概述湖南建工二、超高层建筑基础施工超深基坑施工1、编制降、排水施工专项方案因基坑开挖深度一般都在20m以上，接近或可能穿过承压水层，破坏了原有地下水系的平衡，可能引起坑底冒顶事故；由于抽取地下水量大，也可能造成对周边环境的破坏。因此，施工前，需请专业公司编制降、排水施工专项方案。上海中心大厦基坑深度31.1m，承压水最浅埋深为28米，组厚117米，主、裙楼地下连续墙均不能对地下承压水进行有效阻隔，基坑施工过程中突涌风险极大。其降水方案是在塔楼基坑内，在地下连续墙内侧采用12口，深55米的降压井，外侧采用了14口66米深和14口55米深的降压井，裙楼区施工时，所有降压井布置在基坑内。在基坑内、外布置水位观测井，对坑内开挖深度以下的承压水进行“按需减压”降水，保证基坑安全及施工顺利进行。承压水位控制原则是：当开挖深度＞27．00m时，承压水位必须控制在开挖面以下1．00m；当开挖深度＜27．00m时，按下式进行承压水位控制：湖南建工二、超高层建筑基础施工F=γS（28．0－hs）/γw（28．0－D≥1．1式中：F为安全系数（取1．1），hs为基坑开挖深度（m），D为安全承压水头埋深值（m），γs为基坑底板至承压含水层顶板间的土层重度的层厚加权平均值（kN/m3），γw为地下水重度（kN/m3），根据上式计算出开挖深度hs湖南建工主楼基坑降水井平面图主楼基坑降水井剖面图二、超高层建筑基础施工此外，上海中心主楼基坑面积11500m2，疏干井40口，另加10套轻型井点；裙房基坑面积23460m2，疏干井65口。采用真空深井泵降水措施降低基坑内浅层潜水。基坑开挖前20d预降水，开挖过程中水位低于开挖面1．0m以下。开挖过程中围护结构一旦出现渗漏水，立即采用快硬水泥或聚胺脂等措施止水堵漏。做好坑内明排水措施2、超深基坑支护常见的超深基坑的支护形式有以下几种：1）逆作业法施工（利用基础结构本身作为支撑）；2）护壁桩+钢筋混凝土内支撑；3）地下连续墙+钢筋混凝土内支撑；4）护壁桩+喷锚支撑。《复合土钉墙基坑支护技术规范》GB50739-2011中3.0.4条款明确规定：软土地层湖南建工二、超高层建筑基础施工中，基坑开挖深度不宜大于6M；其他地层中基坑开挖直立深度不宜大于13M；可放坡时基坑开挖深度不宜大于18M。而《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012中也规定，水泥土桩复合土钉墙、微型桩垂直复合土钉墙的支护形式，只适应于基坑开挖深度在12M以内。所以，第4种基坑支护的形式很少在超高层建筑基坑支护中采用。湖南建工天津九方城市广场深基坑武汉绿地中心主楼深基坑3超厚钢筋混凝土底板大体积混凝土施工；超高层地下室地板混凝土具有浇筑面积大、厚度厚的超大体积混凝土。以目前国内第二高楼“上海中心大夏”为例，其基础大底板是全球少见的超深、超大、无横梁支撑的单体建筑基坑，大底板是一块直径121米，厚6米的圆形钢筋混凝土平台，11200㎡的面积相当于1.6个标准足球场大小，厚度则达到两层楼高，混凝土浇筑量61000m3，是世界民用建筑底板体积之最。采用400余辆水泥车轮番往来，29台泵车和拖泵，平均浇筑混凝土1000m3/h，500多名工人轮班不间断工作，60多个小时连续作业.。对大体积砼的水化热控制采用了中低热水泥，大参量的粉煤灰和矿物掺合料以及聚羟酸系高效减水剂等措施，是水泥单方用量控制在160kg/m3。同时还采用了蓄热保温的方法，二、超高层建筑基础施工湖南建工上海中心大厦主楼基础底板浇筑二、超高层建筑基础施工4、超深桩基施工中央商务区117大厦位于天津市西青区，拟建地下3层(局部4层)，地上117层，建筑总高度597m。117大厦基础采用钻孔灌注桩，共设计桩径为1000mm、孔深约99m、有效桩长为76.5m的工程桩941根，单桩抗压竖向承载力特征值为16500kN。混凝土设计强度等级为C50。对高承载力超大长径比桩，要保证钢筋笼和混凝土导管的顺利下放及混凝土的成功浇筑，必须控制好垂直度；120m深的桩孔，要求护壁泥浆要有好的排渣效果，能在较长时间内维护孔壁稳定，能有效控制桩底沉渣厚度；全长设置钢筋笼，超长超重的钢筋笼制作、转运、下笼、接长过程的工艺和变形如何快速、高效的加以控制，有超常难度；超大长径比桩水下浇筑混凝土的施工工艺和质量保持难度极大；在粉质粘土夹粉砂的土层中，对超长桩进行桩底、桩侧注浆的注浆效果难以保证；试桩桩顶以下26m为非摩擦段，如何消除此段的桩侧摩擦阻力，需研究新的办法。针对这些施工难题，施工方在桩基施工过程中取得了以下技术攻关成果：1）PHP不分散低固沾泥浆在高承载力超大长径比钻孔灌注桩中的应用技术（引用。湖南建工二、超高层建筑基础施工输油泥浆技术）；2）消除恻模阻力的超长双护筒设计与施工技术（双护筒长26米，有内外两层护筒组成，在设计荷载作用下。内外护筒分离，将荷载直接向下传递）；3）超大长径比桩垂直度控制技术（通过优选钻机、改进钻具、在钻杆上安装导正器、在钻头上增加配重等措施），实现了垂直度小于1/300的预定目标；4）超长超重钢筋笼制作安装技术；5）水下浇筑高保塑自密实高耐久性混凝土技术湖南建工三、模板系统设计与施工超高层建筑竖向结构多为核心筒、剪力墙结构，采用滑模法和爬模法进行核心筒及剪力墙施工具有以下特点：1）只需一次模板组装，可缩短工期；2）机械化程度高、节约模板和劳动力，结构整体性好；3）对结构立面造型存在一定的限制。目前，针对核心筒施工，施工单位普遍采用一种新型的模板体系——超高层建筑智能顶模系统。该系统由工作平台、顶升系统、挂架系统、模板系统和安防系统组成，只需2小时即可完成整个支模工序。与滑模法和爬模法比较，成本相对较低、工期大为缩短、施工安全性高、混凝土质量易于保证。对于短肢墙、梁、板、柱等结构支模则综合应用拼装式全钢大模板、铝合金模板和早拆模板支撑体系。由于超高层建筑结构平、立面变化复杂，施工前要求编制详细的模板专项方案。湖南建工三、模板系统设计与施工湖南建工三、模板系统设计与施工湖南建工三、模板系统设计与施工湖南建工三、模板系统设计与施工模板工程难点与特点１）核心筒形体复杂，随高度上升平面形状及层高有多次变化，在确定选用的模板体系时必须考虑空中的平面及立面转换；２）在核心筒墙内多处设有劲性桁架，在模板体系设计时必须考虑避让劲性桁架，以满足自升要求；３）核心筒筒壁随高度变化逐步收分、巨型柱断面变化多，形体连续变化大，必须解决模板以及脚手体系在高空中相应的变化，以适应体形变化的需要;４）模板体系必须解决空中倾斜定位以及斜向分叉施工的需要；５）巨型梁体形大且离地面距离高，必须考虑巨大荷载传递对结构的影响，同时解决支撑体系本身的稳定问题；６）超高层施工如何防止高空坠物，满足立体交叉施工需要，同时解决工人高空操作恐惧心理，提高工作效率，保证工程顺利进行；７）由于结构钢筋密集，且内设有巨型劲性钢柱，需采用自密实混凝土进行浇捣，这对模板体系设计以及拼缝密封性提出了很高的要求。湖南建工四、钢结构施工超高层建筑的钢结构主要包括重型钢结构（巨型柱、伸臂钢桁架等）、轻型钢结构、大跨度空间钢结构和钢-混凝土组合结构（劲性梁、劲性柱、钢板剪力墙）。1、超高层建筑钢结构形式：主楼采用钢筋混凝土劲性结构,外围结构由巨型柱、巨型斜撑和带状桁架组成,核心筒由内埋钢骨及桁架和钢筋混凝土组成。2、钢结构的吊装顺序：钢结构构件安装主要根据塔吊的起重能力和运输条件的限制进行分段分节,主要采用分段高空散装的工艺进行安装。安装顺序为:先安装核心筒劲性钢骨以及巨型柱与混凝土核心筒相连的区段,然后安装巨型柱与巨型柱之间的区段。湖南建工四、钢结构施工3、超高层钢结构施工技术难点有：1）昼夜温差变化大，焊接应力和焊接应变难控制；2）钢结点形式千变万化，在多个构件接头交汇处,因各个构件的安装误差不一致,需预先安排合理的安装顺序,才能保证每个钢结构施工段的闭合,并减少二次校正的工作量，安装难度大；3）厚钢板焊接技术质量要求高；4）外围结构中的巨型斜撑、带状桁架、巨型柱等钢结构吨位大，需采取分段高空散装，对吊装设备和吊装方法、测控和焊接技术要求高。例如：某塔楼最大节点部位焊缝金属填充量为1100kg，需要52名合格焊工连续焊接约70小时才能完成；5）测量精度要求高,还需考虑沉降、压缩变形等的影响；6）钢结构安装领先土建作业面施工,作业风险较大,需采取有效的安全防护措；7）超高空作业对对作业人员的心理和技术发挥的影响大等。湖南建工四、钢结构施工总之，超高焊接、超高空作业、安装定位是建设者们遇到的世界级难题。超高空焊接给顶端焊接技术带来了一系列挑战。一方面要防止焊缝在高空复杂环境中被雨水侵蚀，对焊缝质量要求很高，另一方面，高空摆动、风环境，晕旋等因素对焊缝质量影响很大，整个钢结构对焊接变形非常敏感。现有的钢结构施工与验收规范已不能适用本钢结构工程。湖南建工五、钢板剪力墙结构抗裂措施湖南建工在钢板-混凝土组合剪力墙结构中，由于高性能砼自收缩比较大，钢板剪力墙结构出现了2～4mm的裂缝，针对这一质量缺陷，施工方采取了优化配合比、增加构造筋、加强养护等措施，但这些传统的方法仍无法根治好这一问题，通过组织专家进行技术分析，一致认为砼收缩过程中，钢板对砼的约束做用是主因，理论分析认为C80砼的7d收缩率可控制在250x10-6m，钢材的线膨胀系数为12x10-6m/Co，将钢板预热至高于砼21Co后，能够有效解决好这一问题。为了证实理论分析的正确性，必须通过系统实验五、钢板剪力墙结构抗裂措施证实1、钢板是否确因约束而导致混凝土表面开裂？2、怎样实现钢板的预热？3、怎样实现钢板预热温度高出混凝土自身温度21Co？4、是否可实现两者同步收缩？通过前后几个月的十几组模拟实验和足尺实验分析，证实了理论分析的正确性。湖南建工五、钢板剪力墙结构抗裂措施湖南建工六、垂直运输设备1、吊装设备的选型与安装在超高层建筑施工中，由于个