武漢中心工程上掛下承結(jié)構(gòu)后裝段卸載主動(dòng)控制技術(shù)
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葉水明1，周杰剛2，武 超2，李健強(qiáng)2，張 偉3
（1．武漢中心開(kāi)發(fā)大廈投資有限公司，湖北 武漢430064；2．中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430064；3．中建鋼構(gòu)有限公司，廣東 深圳 518040）
[摘要]上掛下承結(jié)構(gòu)是一種次結(jié)構(gòu)內(nèi)同一根柱上段受拉下段受壓的結(jié)構(gòu)形式，可有效降低下部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，但其施工過(guò)程較為復(fù)雜，其中后裝段卸載是實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)懸掛的關(guān)鍵。針對(duì)武漢中心工程逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)后裝段，從卸載主動(dòng)控制目標(biāo)確定、精確可調(diào)的同步卸載裝置設(shè)計(jì)、卸載工藝流程以及卸載過(guò)程中的數(shù)據(jù)監(jiān)控等方面詳細(xì)介紹了卸載主動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了后裝段卸載的平穩(wěn)、安全、可控。
[關(guān)鍵詞]高層建筑；上掛下承結(jié)構(gòu)；同步卸載；主動(dòng)控制
[中圖分類(lèi)號(hào)]TU974[文章編號(hào)]1002-8498(2016)05-0031-04
1 工程概況
武漢中心工程塔樓地上88層，建筑總高度438m。工程主體結(jié)構(gòu)為核心筒-巨柱-伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，外框65層設(shè)置酒店大堂，建筑上需形成無(wú)柱大空間，并限制了轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的高度在1. 2m以?xún)?nèi)，這使得常規(guī)結(jié)構(gòu)形式下轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)承載能力不足。為此．設(shè)計(jì)院提出了逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)，在66層設(shè)置轉(zhuǎn)換大梁，頂部設(shè)置加強(qiáng)桁架，并在77層設(shè)置后裝段，施工過(guò)程中利用后裝段處卸載實(shí)現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)上掛于頂部加強(qiáng)桁架，從而降低轉(zhuǎn)換大梁負(fù)荷的目的（見(jiàn)圖1）。
2后裝段卸載重、難點(diǎn)分析
1)整體卸載量大武漢中心工程77層后裝段以上在卸載以前的結(jié)構(gòu)荷載超過(guò)10萬(wàn)k N，對(duì)卸載裝置的要求及卸載過(guò)程控制要求高。
2)卸載同步性要求高 后裝段處的次結(jié)構(gòu)柱位置分散，如果卸載過(guò)程中各次結(jié)構(gòu)柱之間出現(xiàn)較大的豎向變形偏差，就會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)局部位置應(yīng)力造成較大影響，同時(shí)也會(huì)造成卸載裝置負(fù)荷不均衡，影響結(jié)構(gòu)的受力和卸載安全。
3)卸載精度控制要求高 由于次結(jié)構(gòu)柱對(duì)卸載的同步性要求高，因此在卸載過(guò)程中，卸載裝置必須能夠非常精確地控制每一步卸載量，同時(shí)在各點(diǎn)位偏差超過(guò)限值時(shí)能夠快速進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3 后裝段卸載主動(dòng)控制技術(shù)
3.1 卸載主動(dòng)控制指標(biāo)確定
1)基于計(jì)算模擬分析確定后裝段上、下兩段次結(jié)構(gòu)柱間預(yù)留間隙指標(biāo) 上、下次結(jié)構(gòu)柱間預(yù)留間隙由77層以上的下掛結(jié)構(gòu)部分總沉降決定，沉降分為2部分，一部分為77層后裝段卸載時(shí)變形值，另一部分為77層以上混凝土澆筑后變形值，根據(jù)施工全過(guò)程模擬，77層最大豎向變形為33mm，考慮計(jì)算模擬及施工過(guò)程誤差，將間隙設(shè)置為40mm。
2)后裝段卸載分級(jí)數(shù)量及各級(jí)卸載指標(biāo)確定根據(jù)施工全過(guò)程模擬，卸載完成后總變形最大為11mm、最小為7mm，每級(jí)卸載值根據(jù)計(jì)算確定，以結(jié)構(gòu)承載力作為控制依據(jù)，考慮到沉降變形穩(wěn)定需一定時(shí)間，因沉降差異較小，故分為6級(jí)進(jìn)行等變形卸載，每次卸載2mm。
3)后裝段卸載同步性指標(biāo)確定77層后裝段卸載是20根次結(jié)構(gòu)柱同時(shí)進(jìn)行，由于次結(jié)構(gòu)柱位置分散，卸載過(guò)程中出現(xiàn)較大偏差將可能導(dǎo)致部分次結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大應(yīng)力，且可能造成部分次結(jié)構(gòu)柱處卸載裝置承受的荷載過(guò)大，不利于結(jié)構(gòu)受力和卸載裝置安全，最終確定相互之間偏差> 2mm時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3.2精確可調(diào)同步卸載裝置設(shè)計(jì)
上掛下承后裝段卸載要求精確可調(diào)，并能夠?qū)崿F(xiàn)同步控制。基于此需求，本工程設(shè)計(jì)了一種安全、穩(wěn)定、同步的卸載裝置。
3. 2.1卸載裝置組成
卸載裝置由牛腿、臨時(shí)固定裝置、墊塊、斜墊塊、調(diào)整墊塊、液壓千斤頂、U形墊塊、同步卸載控制系統(tǒng)組成（見(jiàn)圖2，3）。
1)牛腿、墊塊 主要作為上、下次結(jié)構(gòu)柱的反力裝置。
2)臨時(shí)固定裝置 后裝段上部結(jié)構(gòu)安裝時(shí)臨時(shí)固定裝置，螺栓連接。
3)斜墊塊主要用于微調(diào)裝置高度。
4)調(diào)整墊塊 由鋼板加工而成，當(dāng)裝置高度存在較大誤差時(shí)使用。
5)液壓千斤頂 同步卸載動(dòng)力裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)同步加、卸載。
6)U形墊塊77層卸載前結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)U形墊塊傳遞荷載，液壓千斤頂活塞不受力，保證卸載裝置的穩(wěn)定性，卸載時(shí)活塞可穿過(guò)U形墊塊作用至牛腿，U形墊塊數(shù)量及厚度根據(jù)卸載步驟確定。
同步卸載控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)液壓千斤頂同步卸載的系統(tǒng)，同步卸載控制系統(tǒng)組成及布置如圖4所示。
3.2.2同步卸載控制系統(tǒng)
1)液壓同步卸載系統(tǒng)
本工程采用TLC -1.3型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、動(dòng)力源模塊、測(cè)量反饋模塊、傳感模塊和相應(yīng)的配套軟件組成，通過(guò)CAN串行通信協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)。本控制系統(tǒng)通過(guò)眾多工程檢驗(yàn)，具有穩(wěn)定可靠、高精度的特點(diǎn)（見(jiàn)圖5，6）。
2)人機(jī)交互系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制位置裝置是 西門(mén)子S7 -200系列的CPUS7 -224，觸摸屏可以顯示各頂升過(guò)程數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)。
位移傳感器是屬于金屬感應(yīng)的線性器件，通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之呈線性關(guān)系的電流輸出，然后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的形式直接送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本次卸載利用位移傳感器直接實(shí)時(shí)反映后裝段及以上樓層結(jié)構(gòu)荷載對(duì)77層對(duì)接口位置的位移變化情況，以便實(shí)時(shí)控制和動(dòng)態(tài)調(diào)整以上樓層結(jié)構(gòu)標(biāo)高和預(yù)起拱量，每個(gè)對(duì)接點(diǎn)布置1個(gè)。
壓力傳感器將液壓油的壓力通過(guò)晶體的壓電效應(yīng)以模擬量傳回測(cè)量模塊，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后以數(shù)值形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。壓力傳感器安裝在油缸大腔，即時(shí)反映頂升油缸工作的壓力，以便實(shí)時(shí)控制后裝段各對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力均衡。
3.2.3卸載裝置設(shè)計(jì)
1)液壓油缸確定 根據(jù)施工全過(guò)程模擬，提取出后裝段卸載前各工況下的次結(jié)構(gòu)柱GZ-1~GZ-3的反力，最后得到柱腳最大反力為-1 229kN，本工程每根次結(jié)構(gòu)柱選用2個(gè)100t千斤頂即可滿足需求，77層次結(jié)構(gòu)柱反力如表1所示。
3.3卸載流程控制
根據(jù)主動(dòng)控制中的卸載分級(jí)數(shù)量及每級(jí)卸載量指標(biāo)，后裝段卸載工藝流程控制如下。
根據(jù)后裝段卸載裝置的特點(diǎn)，卸載裝置在卸載前通過(guò)U形墊塊傳遞荷載，要實(shí)現(xiàn)后裝段卸載需先卸載U形墊塊，取出U形墊塊，即通過(guò)液壓千斤頂代替U形墊塊承受荷載，故后裝段卸載第1階段為改變卸載裝置傳力路徑，路徑改變完成后第2階段為恢復(fù)結(jié)構(gòu)至初始狀態(tài)，最后階段為結(jié)構(gòu)分級(jí)卸載。
對(duì)于第1階段改變傳力途徑方法為先將77層上部次結(jié)構(gòu)柱頂升，取出U形墊塊即可，但頂升高度應(yīng)該考慮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并盡可能減少頂升長(zhǎng)度，減少整個(gè)卸載過(guò)程的時(shí)間，降低卸載風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)施工模擬，當(dāng)頂升距離< 5mm時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大，故第1階段考慮頂升2~ 3mm;第2階段卸載2～3mm；第3階段分6級(jí)卸載，每級(jí)卸載2mm。當(dāng)沉降變形較大時(shí)，可采用多塊U形墊塊，U形墊，塊隨卸載步驟逐片去除，確保卸載過(guò)程中的安全，U形墊塊取出后使千斤頂恢復(fù)至正常狀態(tài)，然后開(kāi)始第3階段分級(jí)卸載，卸載過(guò)程中利用位移傳感器及壓力傳感器對(duì)卸載過(guò)程中的液壓千斤頂行程及壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)控制中心進(jìn)行偏差調(diào)整。
3.4基于監(jiān)控的動(dòng)態(tài)控制技術(shù)
后裝段實(shí)際卸載過(guò)程中，第1階段先頂升2mm，但部分U形墊塊難以取出，故再頂升1mm，此時(shí)油缸壓力最大達(dá)24. 2MPa，在第3階段卸載6mm后千斤頂壓力接近0，卸載結(jié)束。在上述卸載步驟下，千斤頂壓力如圖8所示，各點(diǎn)位壓力變化趨勢(shì)一致，且頂部環(huán)帶桁架幾乎無(wú)變形，卸載過(guò)程穩(wěn)定。
對(duì)卸載時(shí)、卸載10h以后待沉降變形穩(wěn)定時(shí)及計(jì)算模擬沉降變形值對(duì)比如圖9所示，結(jié)果顯示，大部分次結(jié)構(gòu)柱沉降穩(wěn)定后有回彈趨勢(shì)，且穩(wěn)定后沉降均小于計(jì)算模擬值，與模擬值相差較大，但大部分次結(jié)構(gòu)柱穩(wěn)定后沉降與理論沉降趨勢(shì)一致。分析可能導(dǎo)致此現(xiàn)象發(fā)生的主要原因有：①計(jì)算模擬過(guò)程中放大了施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)樓層的荷載；②后裝段以下各樓層結(jié)構(gòu)在減小后裝段以上的荷載后，壓縮變形減小，出現(xiàn)“漲高”現(xiàn)象，使得測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生變化，故測(cè)得的沉降變形值減小。
卸載完成后，根據(jù)施工流程開(kāi)始澆筑77~87層以上混凝土，混凝土澆筑過(guò)程中77層后裝段部位將持續(xù)沉降變形，此階段沉降也是主動(dòng)控制的重點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)安全的保證。為確保77層以上結(jié)構(gòu)能夠自由沉降，除前面在上、下次結(jié)構(gòu)柱之間預(yù)留一定間隙外，還應(yīng)監(jiān)測(cè)卸載后的77層后裝段位置結(jié)構(gòu)沉降變形；此外在77層后裝段上部次結(jié)構(gòu)柱及85層次結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，保證結(jié)構(gòu)安全。
根據(jù)對(duì)混凝土澆筑過(guò)程的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，77層次結(jié)構(gòu)柱為拉應(yīng)力，最大應(yīng)力為34.2 N/mm2，位于85 ,86層混凝土澆筑完成后77層次結(jié)構(gòu)柱上（見(jiàn)圖10）；85層次結(jié)構(gòu)柱為壓應(yīng)力，隨著混凝土澆筑樓層的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，87層混凝土澆筑完成后最小應(yīng)力為-8.2N/mm2，均滿足設(shè)計(jì)要求。
4 結(jié)語(yǔ)
上掛下承結(jié)構(gòu)后裝段卸載是結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵步驟，武漢中心工程采用同步卸載裝置實(shí)現(xiàn)了卸載過(guò)程的精確可調(diào)以及同步性，同時(shí)根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果確定合理的卸載流程，并進(jìn)行了有效控制，保證了卸載過(guò)程平穩(wěn)、安全；另外，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)卸載過(guò)程實(shí)施動(dòng)態(tài)管理，取得了良好效果。
