CN105544863A - 超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点及施工方法 - Google Patents

超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点及施工方法，节点包括：U型槽结构件横向设置，其U型槽的非开口端外侧分设有能与伸臂桁架的上下弦相连的两根牛腿，该U型槽结构件的U型槽的开口端的宽度大于外框柱牛腿宽度；两组钢垫板分别设在外框柱牛腿上下端面与U型槽结构件的开口端之间的间隙内；封口板由设置在中间部位的U型体和连接垂直在该U型体开口端两边外侧的两条外延边构成，封口板的形状与U型槽结构件与外框柱和外框柱牛腿之间形成的缝隙形状相匹配。该节点能实现伸臂桁架与外框柱的延迟连接，避免施工初期较早连接伸臂桁架与外框柱所存在的问题。

Description

超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点及施工方法
技术领域
本发明涉及钢结构建筑施工领域，特别是涉及一种超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点及施工方法。
背景技术
随着建筑行业的快速发展，300米以上的超高层建筑不断涌现。在水平荷载起控制作用的超高层建筑中，设置伸臂桁架可以提高结构的整体工作性能，从而提高结构在风荷载、地震荷载等水平荷载作用下的抗侧刚度，控制结构的顶部位移和核心筒所承担的倾覆力矩。目前国内外超过300m以上的超高层建筑普遍采用“带伸臂桁架的钢框架-芯筒”结构体系。
但是，对于该体系在结构未成形之前的结构施工阶段，由于结构是逐层施工，荷载的加载方式为逐层加载，与设计时的一次性加载有所不同，再加上超高层建筑施工过程中，核心筒普遍领先于外框架施工，内外筒结构布置相差较大，内外筒竖向结构的应力、应变的增长的速度随时间的变化不同，导致施工过程中内外筒的变形不可避免的存在一定差异。
在施工阶段，如果提前将内外筒之间起协调变形作用的伸臂桁架进行焊接固定，会使伸臂桁架上部楼层的竖向荷载大部分被伸臂桁架承受，而无法通过外框柱向下传递，导致原本设计用来主要承受竖向荷载的外框柱严重浪费。相反，平时作为储备一旦遇到大风、地震等特殊情况才发挥主要抗侧力作用的伸臂桁架提前“服役”。提前“服役”的直接影响是在伸臂桁架构件内部产生不必要的“施工阶段残余应力”，伸臂桁架节点处的焊缝可能被撕裂或者拉变形；间接影响是结构建成后，在还没有达到极限荷载状态的情况下就可能失效。
目前针对超高层钢结构建筑的伸臂桁架，采用普通连接节点(即按照常规梁柱节点的原理设计)的方案是(如图1)：在外框柱10一端预留牛腿20，伸臂桁架现场安装过程中通过牛腿20与伸臂桁架的大臂30、40直接进行对接，并且测量校正完成后立即进行焊接固定。这种采用普通连接节点的方案至少存在以下缺点：1)由于施工阶段内外筒变形存在一定差异，过早的对伸臂桁架节点进行焊接固定会使伸臂桁架上部楼层的竖向荷载大部分被伸臂桁架承受，而无法通过外框柱向下传递，导致原本设计用来主要承受竖向荷载的外框柱严重浪费。2)大风、地震等特殊情况才发挥主要抗侧力作用的伸臂桁架提前“服役”。3)伸臂桁架构件内部产生不必要的“施工阶段残余应力”。4)伸臂桁架节点处的焊缝可能被撕裂或者拉变形。5)结构建成后，实际承载力小于设计承载力。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点及施工方法，能避免主要抗侧力作用的伸臂桁架提前服役以及伸臂桁架构件内部产生不必要的施工阶段残余应力。
为解决上述技术问题，本发明提供一种超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点，包括：
U型槽结构件、两组钢垫板和封口板；其中，
所述U型槽结构件横向设置，其U型槽的非开口端外侧分设有能与伸臂桁架的上下弦相连的两根牛腿，该U型槽结构件的U型槽的开口端的宽度大于外框柱牛腿宽度；
所述两组钢垫板分别设在外框柱牛腿上下端面与所述U型槽结构件的开口端之间的间隙内；
所述封口板由设置在中间部位的U型体和连接垂直在该U型体开口端两边外侧的两条外延边构成，该封口板的形状与所述U型槽结构件与外框柱和外框柱牛腿之间形成的缝隙形状相匹配。
本发明实施例还提供一种超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接施工方法，采用本发明所述的延迟连接节点连接外框柱与伸臂桁架，包括以下步骤：
延迟连接节点的U型槽结构件的两个牛腿分别与伸臂桁架的上下弦焊接固定；
外框柱牛腿设在所述延迟连接节点的U型槽结构件的U型槽内，该外框柱牛腿的上下端面与U型槽结构件的U型槽两侧内壁之间的间隙内分别垫设一组钢垫板；
分别在所述外框柱牛腿和U型槽上分别设置监测点，在监测点位置做好永久性标记，并记录好初始标高，采用全站仪对所述延迟连接节点的U型槽结构件两侧内外筒的竖向变形进行监测，根据监测得到的内外筒变形差值调节U型槽内上下两组钢垫板的厚度；
待结构封顶且将现场变形监测结果与施工过程变形模拟分析的结果进行对比确定内外筒的变形差稳定后，将设在所述U型槽结构件与外框柱和外框柱牛腿之间缝隙处的封口板焊接固定。
本发明的有益效果为：通过采用具有连接伸臂桁架的上下弦的两个牛腿的U型槽结构件，并采用两组钢垫板分别设在外框柱牛腿上下端面与所述U型槽结构件的开口端之间的间隙内，并配合形状与U型槽结构件与外框柱和外框柱牛腿之间形成的缝隙形状相匹配的封口板，形成一种能连接外框柱与伸臂桁架的延迟连接节点，为施工阶段的内外筒的不均衡变形创造一个可控的开放式环境，使伸臂桁架上部楼层的一部分竖向荷载通过外框柱正常的向下传递，避免原本设计用来主要承受竖向荷载的外框柱严重浪费，也避免大风、地震等特殊情况才发挥主要抗侧力作用的伸臂桁架提前“服役”，同时避免伸臂桁架构件内部产生不必要的“施工阶段残余应力”，并防止了伸臂桁架节点处的焊缝被撕裂或者拉变形，确保了结构建成后的结构性能与原设计接近。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为现有的超高层钢结构建筑伸臂桁架普通连接节点的示意图；
图2为本发明实施例提供的超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点的示意图；
图3为本发明实施例提供的超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点焊接前后示意图；
图4为本发明实施例提供的超高层钢结构建筑伸臂桁架施工流程图；
图5为本发明实施例提供的超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点的两条焊缝示意图；
图6为图5的A-A向剖视图；
图2-3中各标号对应部件为：1-外框柱；2-封口板；3-U型槽结构体；4-钢垫板；5-伸臂桁架上弦；6-伸臂桁架下弦；7-外框柱牛腿；8-外框柱牛腿的监测点；9-U型槽结构体的监测点；
图5-6中各标号对应部件为：2-封口板；51-第一焊缝；52-第二焊缝；53-焊接约束板。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图2所示，本发明实施例提供一种超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点，用于连接外框柱与伸臂桁架，包括：U型槽结构件、两组钢垫板和封口板；
其中，U型槽结构件横向设置，其U型槽的非开口端外侧分设有能与伸臂桁架的上下弦相连的两根牛腿，该U型槽结构件的U型槽的开口端的宽度大于外框柱牛腿宽度；
两组钢垫板分别设在外框柱牛腿上下端面与U型槽结构件的开口端之间的间隙内；
封口板由设置在中间部位的U型体和连接垂直在该U型体开口端两边外侧的两条外延边构成，该封口板的形状与U型槽结构件与外框柱和外框柱牛腿之间形成的缝隙形状相匹配。
上述延迟连接节点中，每组钢垫板由若干钢垫板组成，每组钢垫板的厚度为0.5～50mm。
上述延迟连接节点中，封口板采用100mm厚的钢板制成。
本发明实施例还提供一种超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接施工方法，采用上述的延迟连接节点连接外框柱与伸臂桁架，包括以下步骤：
延迟连接节点的U型槽结构件的两个牛腿分别与伸臂桁架的上下弦焊接固定；
外框柱牛腿设在延迟连接节点的U型槽结构件的U型槽内，该外框柱牛腿的上下端面与U型槽结构件的U型槽两侧内壁之间的间隙内分别垫设一组钢垫板；
分别在外框柱牛腿和U型槽上分别设置监测点，在监测点位置做好永久性标记，并记录好初始标高，采用全站仪对延迟连接节点的U型槽结构件两侧内外筒的竖向变形进行监测，根据监测得到的内外筒变形差值调节U型槽内上下两组钢垫板的厚度；
待结构封顶且将现场变形监测结果与施工过程变形模拟分析的结果进行对比确定内外筒的变形差稳定后，将设在所述U型槽结构件与外框柱和外框柱牛腿之间缝隙处的封口板焊接固定。
上述施工方法中，将设在U型槽结构件与外框柱和外框柱牛腿之间缝隙处的封口板焊接固定遵循的焊接原则如下：
(1)对称焊接，同一个剖面位置的两条对称焊缝同时焊接；
(2)对封口板处于外框柱一侧的第一焊缝焊接时进行反变形控制，同时对封口板处于U型槽结构件一侧的第二焊缝进行焊接约束变形控制；具体的，对封口板处于外框柱一侧的第一焊缝焊接时进行反变形控制端部反变形15mm；对封口板处于U型槽结构件一侧的第二焊缝进行焊接约束变形控制为在第二焊缝位置设置焊接约束板以限制焊接变形(如图5所示)。
(3)单条焊缝的焊接采取定位焊和分段焊接的方式进行；具体的，单条焊缝的焊接采取定位焊和分段焊接的方式进行为：将每条焊缝分成多段进行焊接，每一段作为一个焊接单元，采取同步定位焊接。
(4)对接焊缝采用单面坡口全熔透焊接。
下面结合附图和具体实施例对本发明的延迟连接节点作进一步说明。
本发明的延迟连接节点可使伸臂桁架相连的内外筒在施工阶段竖向能够相对自由变形，该延迟连接节点在伸臂桁架与外框柱相连的位置形成了一种可控的开放式连接结构。该延迟连接节点由钢垫板、U型槽结构体以及封口板组成(如图2所示)，U型槽结构体一侧带有两根牛腿，分别与伸臂桁架的上下弦相连，U型槽结构体与外框柱牛腿之间留有较大间隙，上下间隙之间采用0.5～50mm厚的钢垫板临时垫起。
如图3所示，在伸臂桁架施工过程中，首先对核心筒一侧节点进行焊接，然后焊接伸臂桁架与U型槽结构体，U型槽结构体与外框柱牛腿之间暂不焊接。随着工程的进展，测量人员对延迟连接节点两侧内外筒的变形进行监测，根据监测得到的内外筒变形差值调节U型槽结构体上下钢垫板的数量，确保U型槽结构体与上下钢垫板之间始终留有一定的微隙，从而使伸臂桁架相连的内外筒在施工阶段竖向能够相对自由变形，从而达到对伸臂桁架的内力进行释放，使结构的竖向荷载得以有效传递。待结构封顶且内外筒的变形差稳定之后，再对外框柱一侧的伸臂桁架延迟连接节点进行焊接封闭，即完成封口板最终的焊接。
应用本发明延迟连接节点的伸臂桁架的延迟连接的安装流程如图4所示，基本步骤如下：
(a)核心筒桁架安装；
(b)U型槽结构体安装；
(c)伸臂桁架下弦安装；
(d)伸臂桁架上弦安装；
(e)伸臂桁架与核心筒焊接；
(f)U型槽结构体与伸臂桁架焊接；
(c)现场变形监测；
(d)最终焊接固定封口板完成延迟连接节点的焊接固定，实现外框柱与伸臂桁架的连接。
上述施工过程中，采用现场变形监测结果与施工过程变形模拟分析互相校核的方式，在延迟连接节点位置的外框柱牛腿和U型槽上分别设置监测点，在监测点位置做好永久性标记，并记录好初始标高。采用全站仪对延迟连接节点两侧内外筒的竖向变形进行监测，根据监测得到的内外筒变形差值调节U型槽结构体上下钢垫板的数量。
通过将现场变形监测结果与施工过程变形模拟分析的结果进行对比，根据对比的结果，确定更加科学、更加切合实际的钢垫板的调整方案及延迟焊接时间。
由于延迟连接节点的后焊封板厚度达100mm，且为超长焊缝，长度约7.2m，因此延迟连接节点的焊接固定工艺尤为关键。在的焊接固定过程中，应遵循以下焊接工艺原则：
(1)对称焊接原则，同一个剖面位置的两条对称焊缝应同时焊接。
(2)为减少焊接变形与焊接残余应力，整体采用反变形控制与焊接约束变形控制相结合的方式进行。如图5、6所示，首先焊接第一焊缝，待第一焊缝焊接完成，且完全冷却之后，再焊接第二焊缝。第一焊缝焊接定位之前，首先采取一定的反变形，(本工程通过具体计算分析确定厚板端部反变形15mm)，同时在第二焊缝位置设置焊接约束板以限制焊接变形。
(3)单条焊缝的焊接采取定位焊和分段焊接的方式进行，即①号焊缝需分成5段进行焊接，每一段作为一个焊接单元，采取同步定位焊接。
(4)由于后焊过程中焊接空间受限，对接焊缝采用单面坡口全熔透焊接。
本发明的延迟连接节点的使用，可为施工阶段的内外筒的不均衡变形创造一个可控的开放式环境，使伸臂桁架上部楼层的一部分竖向荷载通过外框柱正常的向下传递，避免原本设计用来主要承受竖向荷载的外框柱严重浪费；以及避免大风、地震等特殊情况才发挥主要抗侧力作用的伸臂桁架提前“服役”和伸臂桁架构件内部产生不必要的“施工阶段残余应力”；同时防止伸臂桁架节点处的焊缝被撕裂或者拉变形，确保了结构建成后的结构性能与原设计接近。
本发明这种延迟连接节点解决了外框与芯筒不均衡变形导致的伸臂桁架应力过大难题，为超高层建筑施工中伸臂桁架的延迟连接提供了一种实用而有效的方法，具有较高的社会推广应用价值，并且具有较好的经济效益，如以某市广场项目为例，从模拟计算结果与实际检测结果显示，本发明这种延迟连接节点的采用约可以减少结构的应力损失20％～30％，粗略估算，可创造直接经济效益约360～540万元。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点，其特征在于，包括：
U型槽结构件、两组钢垫板和封口板；其中，
所述U型槽结构件横向设置，其U型槽的非开口端外侧分设有能与伸臂桁架的上下弦相连的两根牛腿，该U型槽结构件的U型槽的开口端的宽度大于外框柱牛腿宽度；
所述两组钢垫板分别设在外框柱牛腿上下端面与所述U型槽结构件的开口端之间的间隙内；
所述封口板由设置在中间部位的U型体和连接垂直在该U型体开口端两边外侧的两条外延边构成，该封口板的形状与所述U型槽结构件与外框柱和外框柱牛腿之间形成的缝隙形状相匹配。
2.根据权利要求1所述的超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点，其特征在于，每组钢垫板由若干钢垫板组成，每组钢垫板的厚度为0.5～50mm。
3.根据权利要求1所述的超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接节点，其特征在于，所述封口板采用100mm厚的钢板制成。
4.一种超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接施工方法，其特征在于，采用上述权利要求1至3任一项所述的延迟连接节点连接外框柱与伸臂桁架，包括以下步骤：
延迟连接节点的U型槽结构件的两个牛腿分别与伸臂桁架的上下弦焊接固定；
外框柱牛腿设在所述延迟连接节点的U型槽结构件的U型槽内，该外框柱牛腿的上下端面与U型槽结构件的U型槽两侧内壁之间的间隙内分别垫设一组钢垫板；
分别在所述外框柱牛腿和U型槽上分别设置监测点，在监测点位置做好永久性标记，并记录好初始标高，采用全站仪对所述延迟连接节点的U型槽结构件两侧内外筒的竖向变形进行监测，根据监测得到的内外筒变形差值调节U型槽内上下两组钢垫板的厚度；
待结构封顶且将现场变形监测结果与施工过程变形模拟分析的结果进行对比确定内外筒的变形差稳定后，将设在所述U型槽结构件与外框柱和外框柱牛腿之间缝隙处的封口板焊接固定。
5.根据权利要求4所述超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接施工方法，其特征在于，所述将设在所述U型槽结构件与外框柱和外框柱牛腿之间缝隙处的封口板焊接固定遵循的焊接原则如下：
(1)对称焊接，同一个剖面位置的两条对称焊缝同时焊接；
(2)对封口板处于外框柱一侧的第一焊缝焊接时进行反变形控制，同时对封口板处于U型槽结构件一侧的第二焊缝进行焊接约束变形控制；
(3)单条焊缝的焊接采取定位焊和分段焊接的方式进行；
(4)对接焊缝采用单面坡口全熔透焊接。
6.根据权利要求5所述超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接施工方法，其特征在于，所述对封口板处于外框柱一侧的第一焊缝焊接时进行反变形控制端部反变形15mm；
所述对封口板处于U型槽结构件一侧的第二焊缝进行焊接约束变形控制为在第二焊缝位置设置焊接约束板以限制焊接变形。
7.根据权利要求5所述超高层钢结构建筑伸臂桁架延迟连接施工方法，其特征在于，所述单条焊缝的焊接采取定位焊和分段焊接的方式进行为：将每条焊缝分成多段进行焊接，每一段作为一个焊接单元，采取同步定位焊接。
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