超高层结构转化新型钢结构连接节点

超高层结构转化新型钢结构连接节点

设计与施工应用

李文兵，陈腾，寸德帆，邓发鑫，程乐

（中建三局集团华南有限公司，广东广州510000）

摘要：钢结构在高层建筑中的使用日益增多，其优异的性能得到了广泛认可。本文在文献调研的基础上总结了钢结构发展现状，分析了钢结构节点中柱与柱的连接形式。并以粤港澳大湾区（广州）科技金融中心三期工程项目为研究对象，工程为依托，分析提炼了节点对接精度控制、分叉柱安装、圆方节点转化等方面钢管柱施工重难点，可为类似工程提供借鉴与参考。

关键词：钢结构连接节点；柱与柱的连接；节点转化；超高层

1引言

钢材具有很高的再循环使用价值，是一种绿色环保建筑结构材料。钢结构强度高，抗震性能好，具有良好的机械加工性能，适合建造高层建筑，并可实现工业化生产，同时可采用现场螺栓连接，便于全装配和拆卸，大大降低劳动强度，缩短工期，适合建造全装配式建筑。装配式钢结构建筑是我国建筑产业化发展的需要，装配式钢结构建筑具有标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理等特点，同时装配式钢结构建筑具有工期短、自重轻、工厂加工和可持续发展的优势，是全寿命周期内的绿色建筑，现已成为欧洲、美国、日本、澳大利亚等发达国家建筑的重要形式，将成为未来中国建筑发展的主要形式之一。

我国经历了几十年快速城镇化的高速发展之后，在城市建设领域取得了举世瞩目的成就，与此同时，高能耗、高污染、低效率的粗放型传统建造模式仍然具有普遍性，近几年全国部分地区出现的重度霎霾天气，建筑污染（包括建筑材料的生产，建筑施工扬尘，旧建筑的拆除等）是其中重要的污染源之一。装配式建筑主要生产工作在工厂内完成，生产过程的废料、废气等易于回收；现场施工工序少、速度快、人工少，大大降低对环境的污染。一方面，我国人口众多，人均土地资源匮乏，建设用地少，需要建设大量的高层建筑，解决大量人员的住房问题。另一方面，2017年钢材产量超过8亿t，钢结构虽然有较快发展，但是钢结构行业加工量仅为5720万t，所占比例仍较低具有很大发展空间[1]。我国属于地震多发区，近些年的汶川地震、玉树地震、雅安地震、台湾花莲地震都造成了巨大的财产损失和大量的人员伤亡，而钢结构建筑在地震中表现出了良好的抗震性能。钢结构建筑抗震的优势是其他建筑形式无法取代的，从这一点看，应该大力发展钢结构建筑，尤其是人员密集的公共建筑和地震容易造成大量人员伤亡和财产损失的建筑，如学校、医院、办公、住宅等。

装配式结构体系更能够体现钢结构建筑的优势，是钢结构发展的新方向和趋势，虽然对其研究和工程应用出现快速发展的势头，但由于缺乏新型多高层装配式钢结构体系和节点连接，且新体系和节点连接与现行规范不配套，缺少专门的标准规范和深入全面针对装配式钢结构的基础理论研究和设计方法，这都制约了装配式多高层钢结构建筑的发展和应用。推进装配式钢结构发展和应用的核心问题是提出受力合理和施工快捷的装配式钢结构建筑体系和关键节点，并获得其承载力和抗震性能及提出其设计理论方法，编制专门的规范标准，最佳的装配式钢结构应实现钢构件工厂化焊接和混凝土工厂内浇筑，部品部件间工地全螺栓连接。为了满足经济性和可操作性，许多情况下全螺栓连接难以保证“强节点弱构件”的传统抗震理念，应该继续研究连接节点在不同受力情况下的设计理念和方法。

综上所述，新型钢管混凝土叠合柱-混凝土梁卡扣锚固节点构造措施与施工应用是当前研究的热点和难点，研究其节点类型构造与施工工艺对工程施工具有重要的指导意义。

2钢结构节点连接形式

钢结构连接节点是结构的重要组成部分，是实现结构的可预制装配式建造方式的关键环节之一，并对结构造价、工期产生直接影响。钢结构连接节点形式与力学性能是国内外学者研究和开发的热点课题之一。

为了保证等强连接，在普通钢结构中柱与柱的连接主要采用焊接，这是因为当时行业内普遍认为焊接连接强度更高，更具有安全性，但是美国北岭地震中150多座多高层钢结构焊接节点遭受了严重破坏，日本阪神地震中钢结构建筑倒塌、破坏较大的有476栋。日本兵库县南部地区地震中一焊接箱型柱在焊接热影响区发生脆性断裂。阪神地震中，芦屋市海滨城高层住宅小区的21栋住宅楼37根钢柱的断裂发生在拼接焊缝处，暴露了焊接结构的一些不足。[2]实际上焊接连接具有较高的焊接残余应力和焊接热影响区，在地震下具有脆性断裂的安全隐患，尤其在低温下焊接连接脆性更大。另外，焊接连接施工速度慢，工地焊接质量受焊工水平、焊接位置、施工天气等影响，质量难控制，验收时除了施工方自己检测外还需要第三方检测，增加了建设成本。

螺栓连接是代替焊接的有效连接形式之一。法兰连接是螺栓连接的一种形式，已成为代替焊接的有效连接形式之一，在管道、压力容器以及运载火箭、航天器、塔架等方面具有广泛的应用。国内外学者已针对法兰连接不同受力情形下的性能，进行了多方面的研究，得到了一系列较为成熟的成果。以其安装便捷、快速，外形美观，施工速度快，现场无明火作业等优点，受到设计者的青睐。

[3]

但由于我国GB50011-2010《建筑抗震设计规范》8.2.8要求：多高层钢结构抗侧力构件连接的极限承载力设计值不应小于相连构件的极限承载力设计值，高强螺栓连接不得滑移，且抗侧力构件连接的极限承载力应大于相连构件的屈服承载力，使得全螺栓的连接手段难以满足，对柱与柱的连接仍以强焊接为主。粤港澳大湾区（广州）科技金融中心三期工程项目则属于其中典型例子。

3工程背景及节点分析

粤港澳大湾区（广州）科技金融中心三期工程位于黄埔区科学城，环境优美，空气指数优良，项目对绿色文明施工、结构安全性的要求较高。项目用地面积2.9365万m2，总建设面积约27.7万m2，包含地下3层、地上两栋39层的超高层及一栋4层的商业配套裙楼。

其中B#塔楼在地上29~31层南北侧中间两根直径1200mm圆钢管柱分别向上分叉为两根斜式直径1050mm圆钢管柱，其中中部的斜式圆钢管柱向上斜交为一根柱，而两边的钢圆柱向上由竖直变为外斜，同时所有圆钢管柱在31层转换成了竖直方钢管柱，如下图1所示。

图1 项目实景图

可以看出，项目钢结构柱节点形式丰富，包括了分叉、斜交、直斜转化、圆方转化等多种情形。经调查统计国内外文献和国内主要超高层项目，无类似项目具备如此丰富的钢结构柱节点形式，在建筑领域尚无类似经验可借鉴。[4]本工程钢结构柱转化节点属于超高层塔楼外框柱，设计上属于重要构件，质量要求高，控制精度高，施工难度大，其重要性不言而喻。

4节点施工重难点与措施

4.1圆管相贯口对接精度控制

分叉圆管柱节点均由1根竖直圆管柱向2根倾斜圆管柱转变，4个位置分叉相交贯口均贯通整个楼层，贯口长度约1.5m，贯口切割精准度关系整个分叉柱的外形尺寸。同时，分叉节点圆管柱体相贯口切割后，2个圆管斜交是贯口一圈的柱壁连接，但贯口切割时因受热发生变形，无法保证壁厚范围内贯口完全对接，故保证圆管斜贯口对接精度是施工重难点

进行深化设计时，结合具体加工和安装方案，在2根倾斜圆管柱斜交相贯线中间设置竖向插板，在分叉柱转变节点处设置水平横向插板，在原设计圆管相贯口对接节点处增设插板，改为圆管相贯口和插板连接，在不改变设计意图的情况下优化相贯节点，保证对接精度，实现圆管柱由空间斜交与竖直节点之间的转变。[5]

图2 圆管分叉节点

4.2分叉柱安装

相贯口首次切割后组装圆管柱内部零件，在工厂接分叉中间插板和其中1根圆管柱，其内部隔板采用退装退焊装配焊接，柱体贯口和插板连接需要2名焊工在圆管柱内部和外部同时对称施焊，避免焊接过程发生不均匀收缩，导致柱体失圆，将另外1根分叉圆管柱内部隔板和圆管柱体相接。内部零件板装配过程中随装配进度循序拆除内部临时支撑。

将分叉节点的2根圆管柱内部零件板组装接完成后进行预拼装，以将钢柱加工误差控制在最小，减少现场安装修整量。预拼装前清理场地、铺设钢板、放置拼装胎架，先采用水准仪测量拼装胎架标高，保证平台平整度。将分叉圆管柱整体节点通过AutoCAD软件建立独立的三维空间坐标系，以合并端圆管柱中心为坐标原点建立坐标系，标注分叉节点构件每个尺寸控制点及外围轮廓点空间x，y，z坐标，将坐标投影到钢板上，并做好标高标记。构件上胎后用吊线锤和控制标高的方法调整构件位置。因柱体内筋板焊接时产生接变形误差，拼装过程中个别控制点位置始终与理论坐标不符，应再次修整贯口轮廓和焊接坡口，直至分叉节点整体外形尺寸满足图纸要求。

利用支撑胎架安装分叉节点下节圆管柱，再安装分叉圆管柱。先安装分叉圆管柱带竖向插板的一半，校正加固完成且安装相邻钢柱间钢梁后，再安装不带插板的一半。预先在AutoCAD中建立与现场测量控制网相应的坐标系，标出分叉圆管柱的三维定位控制坐标。为便于高空测量，吊装前在柱顶中心点及牛腿关键点位粘贴配套的激光反射贴片。安装时将全站仪进行建站并正对分叉圆管柱，建站标高高于分叉柱安装标高，方便校正柱顶、牛腿控制点的坐标、标高，校正、加固完成后再次复测，以确保加固过程中钢柱定位不发生大的变动。

4.3圆方节点转化

圆方节点转化位置位于31层，根据设计，转化后的方钢管柱截面小于圆钢管柱，且位于圆形截面边界内。于节点转化位置增加水平内插板，用作方钢管柱与圆柱的焊接界面。同时，为增加节点强度，保障方圆转化稳固，将方钢管柱下端长边深化出两块翼板，尺寸与圆钢管柱内壁贴合，焊接固定。

图3 圆方转化节点

5总结和展望

本文总结了钢结构柱与柱连接形式，以粤港澳大湾区（广州）科技金融中心三期工程项目B#塔楼钢结构节点作为研究对象，从节点对接精度控制、分叉柱安装、圆方节点转化等方面介绍刚管柱节点施工技术，为今后类似项目提供借鉴。未来钢结构发展应进一步推进节点连接研究，适应不同的结构需求。

参考文献

[1] 刘学春,商子轩,张冬洁,等.装配式多高层钢结构研究要点与现状分析[J].工业建筑,2018,48(05):1-10.

[2]郭冬梅,王元清,伊永成.装配式多层钢结构柱-柱连接的研究与展望[J].交通科技与经济,2019,21(06):64-68+73.

[3]刘飞. 单面螺栓连接及装配式钢结构节点理论与试验研究[D].东南大学,2016.

[4]刘军,刘欢,张浩,等.巨型钢结构圆方转化节点加工设计与分析[J].施工技术,2016,45(S1):612-617.

[5]魏美博,赵荣耀,张丁,等.超高层内倾外斜式大直径分叉圆管柱施工技术[J].施工技术(中英文),2024,53(05):103-106.