武漢中心工程上掛下承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主動(dòng)控制技術(shù)*
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周杰剛，周 健，武 超，陳 鍇，黃擋玉
（中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430064）
[摘要]隨著卸載技術(shù)和施工模擬技術(shù)的發(fā)展，巨型結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了一種新型的懸掛結(jié)構(gòu)體系。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的逐級(jí)成型的上掛下承結(jié)構(gòu)體系，從結(jié)構(gòu)的提出與確定、目標(biāo)研究以及主動(dòng)控制技術(shù)方法運(yùn)用等方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述，形成一套上掛下承結(jié)構(gòu)主動(dòng)設(shè)計(jì)控制技術(shù)，并成功在武漢中心工程中應(yīng)用。
[關(guān)鍵詞]高層建筑；上掛下承結(jié)構(gòu)；主動(dòng)控制；轉(zhuǎn)換梁；卸載
[中圖分類號(hào)]TU974 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)05-0018-04
隨著卸載技術(shù)和施工模擬技術(shù)的發(fā)展，本文基于武漢中心工程特殊的建筑功能需求，提出了一種新型的逐級(jí)成型的上掛下承結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
1 工程概況
武漢中心工程位于武漢王家墩CBD，是集辦公、酒店、商業(yè)、會(huì)議等功能為一體的國(guó)際SA級(jí)商務(wù)綜合體。塔樓地上部分88層，總建筑高度438m，總建筑面積約36萬(wàn)m2，塔樓整體結(jié)構(gòu)形式為外框鋼管混凝土巨柱框架+核心筒+伸臂桁架。
2逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)提出與確定
2.1 建筑功能需求及限制條件
武漢中心塔樓65層為酒店大堂，建筑限制條件為：層高8. 4m，外框8根邊柱在65層樓面處收頭形成跨度28. 35m的大跨空間，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件高度限制為1. 2m，同時(shí)66層及以上的各層酒店客房結(jié)構(gòu)柱開(kāi)間不得小于4. 725m，以保證房間向外的可視范圍。
2.2不同結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比分析及確定
實(shí)現(xiàn)上述建筑功能有多種可供選擇的結(jié)構(gòu)方案：巨型框架結(jié)構(gòu)、巨型懸掛結(jié)構(gòu)、上掛下承結(jié)構(gòu)。其中上掛下承結(jié)構(gòu)形成有3種不同方案：①不設(shè)置后裝段，按照正常施工順序施工，最后卸載下部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；②設(shè)置后裝段，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與后裝段同步卸載，上掛下承結(jié)構(gòu)一步形成；③設(shè)置后裝段，先卸載后裝段，待上部結(jié)構(gòu)施工完成后卸載轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，上掛下承結(jié)構(gòu)逐步成型。
針對(duì)以上不同的結(jié)構(gòu)形式，從結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)效益、施工操作簡(jiǎn)便性、對(duì)建筑功能的影響等方面綜合分析，最終確定采用逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體系由轉(zhuǎn)換大梁、后裝段、頂部加強(qiáng)桁架、鋼管混凝土柱、次結(jié)構(gòu)柱以及樓面結(jié)構(gòu)等組成，施工過(guò)程中需要在轉(zhuǎn)換大梁下方及后裝段處設(shè)置臨時(shí)支撐裝置作為傳力機(jī)構(gòu)，上掛下承結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。
3設(shè)計(jì)主動(dòng)控制目標(biāo)研究
常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性作為主要的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，而逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)除了這幾個(gè)常規(guī)的指標(biāo)以外，還應(yīng)關(guān)注整體結(jié)構(gòu)荷載分配的比例，即受力均衡性以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)施工的影響。
3.1 結(jié)構(gòu)受力均衡性指標(biāo)
對(duì)于上掛下承結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)形成整體之后，根據(jù)工況3可知次結(jié)構(gòu)的荷載傳遞路徑為3條：部分荷載通過(guò)次結(jié)構(gòu)柱的壓力傳遞至66層的轉(zhuǎn)換大梁，部分荷載通過(guò)次結(jié)構(gòu)柱的拉力傳遞至頂部加強(qiáng)桁架，還有部分荷載通過(guò)次結(jié)構(gòu)框架形成的空腹桁架傳遞至兩側(cè)主結(jié)構(gòu)柱。各部分荷載傳遞比例取決于2個(gè)因素：①荷載分布以及由結(jié)構(gòu)布置決定的3條路徑的剛度比例，這是由結(jié)構(gòu)布置本身決定的；②該部分結(jié)構(gòu)剛度的形成過(guò)程。因此，考慮通過(guò)一定施工過(guò)程的設(shè)定去主動(dòng)控制和調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，從而使得原來(lái)強(qiáng)度不滿足要求的轉(zhuǎn)換大梁及次柱滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)頂部加強(qiáng)桁架與下部轉(zhuǎn)換大梁受力均衡目標(biāo)，達(dá)到控制次結(jié)構(gòu)柱和轉(zhuǎn)換大梁截面尺寸的目的。
逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)中，后裝段卸載完成后，后裝段以上的荷載大部分向上傳遞至頂部加強(qiáng)桁架，后裝段以下的荷載大部分通過(guò)次柱受壓傳遞至轉(zhuǎn)換大梁。轉(zhuǎn)換大梁卸載時(shí)，轉(zhuǎn)換大梁、頂部加強(qiáng)桁架及次結(jié)構(gòu)空腹桁架在荷載的作用下均會(huì)發(fā)生向下變形，由于轉(zhuǎn)換大梁剛度與頂部加強(qiáng)桁架的剛度相比相對(duì)較小，轉(zhuǎn)換大梁的變形會(huì)大于頂部加強(qiáng)桁架的變形，使得原后裝段以下的部分荷載繼續(xù)傳遞至頂部加強(qiáng)桁架，根據(jù)力與變形的關(guān)系，跨中向上傳遞的荷載會(huì)較多，兩側(cè)向上傳遞的荷載會(huì)逐漸減小，使得由轉(zhuǎn)換大梁分擔(dān)的荷載呈現(xiàn)下凸的拋物線形狀（見(jiàn)圖2）。
這種荷載分布情況下，有利于降低轉(zhuǎn)換大梁的跨中彎矩，減小其截面尺寸，同時(shí)也利于降低受力較大的跨中部位次結(jié)構(gòu)柱的壓力，減小其截面尺寸；另外，頂部加強(qiáng)桁架分配的荷載正好與轉(zhuǎn)換大梁相反，有利于充分發(fā)揮其強(qiáng)度作用。
綜上所述，結(jié)合建模受力分析，結(jié)構(gòu)受力均衡性的控制指標(biāo)為：頂部加強(qiáng)桁架的強(qiáng)度利用率提高20%以上，下部轉(zhuǎn)換大梁的荷載分配比例下降60%以上，盡量降低次結(jié)構(gòu)柱柱腳處的壓應(yīng)力。
3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)施工的影響指標(biāo)
逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)中后裝段以上的樓層混凝土需后裝段卸載之后才能澆筑，隨后逐步安裝外幕墻以及塔樓頂部的塔冠結(jié)構(gòu)。后裝段的卸載是關(guān)鍵線路工作，預(yù)留后澆筑樓層的數(shù)量是對(duì)后續(xù)工期影響的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)主動(dòng)控制的目標(biāo)之一就是要盡量提高后裝段的設(shè)置樓層、減少混凝土?xí)壕彎仓臉菍訑?shù)量，降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)工期的影響。
逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)與一步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)不同，前者后裝段的位置影響后裝段以下的結(jié)構(gòu)荷載在各部分結(jié)構(gòu)中的分配比例；而后者中后裝段位置確定后，各部分荷載比例基本確定。因此，一步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)中后裝段的位置是以轉(zhuǎn)換大梁的受力決定的，而逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)中后裝段位置的確定不僅要考慮轉(zhuǎn)換大梁的受力，還需考慮施工影響，設(shè)計(jì)時(shí)以受次結(jié)構(gòu)柱施工過(guò)程中的柱腳最大應(yīng)力作為控制原則。
綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)施工影響的主動(dòng)控制指標(biāo)為施工工期。
4 設(shè)計(jì)主動(dòng)控制技術(shù)研究
設(shè)計(jì)主動(dòng)控制以主動(dòng)控制目標(biāo)為依據(jù)開(kāi)展，主要從設(shè)計(jì)方法和施工順序確定兩方面進(jìn)行研究。
4.1 過(guò)程控制設(shè)計(jì)方法運(yùn)用
逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)涉及施工過(guò)程內(nèi)力重分布，某些構(gòu)件最大應(yīng)力狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)在施工過(guò)程中，因此不能按照最終的工況一次性加載，需結(jié)合確定的施工順序進(jìn)行各工況分析，以保證結(jié)構(gòu)安全。
過(guò)程控制設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵在于工況的選擇，依據(jù)是經(jīng)確定的施工流程。采用Midas軟件進(jìn)行分析，利用軟件中的構(gòu)件凍結(jié)與激活功能，通過(guò)建立結(jié)構(gòu)組、荷載組和邊界組來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程模擬。
施工過(guò)程模擬考慮的荷載是結(jié)構(gòu)自重以及施工過(guò)程中的一些外加荷載，并沒(méi)有考慮使用過(guò)程中的荷載以及地震、風(fēng)荷載等，由于絕大部分構(gòu)件在施工過(guò)程中應(yīng)力都處于較低水平，因此，設(shè)計(jì)時(shí)的施工過(guò)程模擬在于控制構(gòu)件在瞬間約束改變時(shí)的變形及各部分荷載的分配情況，其目的是為了選擇合理的施工控制流程，并對(duì)施工過(guò)程中的控制措施提出相應(yīng)要求。
4.2 基于施工順序的設(shè)計(jì)主動(dòng)控制技術(shù)
4. 2.1后裝段形式研究
減少直接傳至轉(zhuǎn)換梁荷載最直接的方法是取消轉(zhuǎn)換梁以上某一層的次結(jié)構(gòu)柱，但一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)希望保持次結(jié)構(gòu)柱的連續(xù)以獲得較好的結(jié)構(gòu)冗余度，因此，并非在物理上真正“取消”它，而是通過(guò)延緩這一條途徑開(kāi)始傳遞荷載的時(shí)間，使得更多荷載在這條路徑形成之前傳遞至頂部加強(qiáng)桁架和兩側(cè)主結(jié)構(gòu)柱。
延緩此結(jié)構(gòu)柱向下傳力路徑的方法有多種：一種是通過(guò)設(shè)置臨時(shí)支托桁架，支撐某層以上的結(jié)構(gòu)，待頂部加強(qiáng)桁架合龍后，再拆除該臨時(shí)支托桁架，并盡可能多地施加那些樓層的附加荷載，使該層以上的荷載先通過(guò)次結(jié)構(gòu)柱受拉傳遞至頂部加強(qiáng)桁架和次框架的空腹桁架效應(yīng)傳到主結(jié)構(gòu)柱，最后安裝該層的次結(jié)構(gòu)柱；另一種更加簡(jiǎn)單的方法是，按照常規(guī)施工順序施工至頂部加強(qiáng)桁架合龍，用液壓卸載裝置將希望后裝的樓層柱“切斷”，改變次結(jié)構(gòu)柱內(nèi)的荷載傳遞路徑，強(qiáng)迫“切斷”柱以上的荷載均傳遞至頂部加強(qiáng)桁架，再采用焊接方式“接上”被“切斷”次結(jié)構(gòu)柱。
4.2.2轉(zhuǎn)換大梁卸載時(shí)間研究 ，
轉(zhuǎn)換大梁的卸載時(shí)間有2種選擇：方案1是在后裝段卸載完成后立即進(jìn)行轉(zhuǎn)換大梁的卸載，方案2是在后裝段以上各樓層混凝土澆筑完畢且后裝段終固之后進(jìn)行卸載。計(jì)算對(duì)比上述2種卸載時(shí)間下轉(zhuǎn)換大梁彎矩、次結(jié)構(gòu)柱軸力以及頂部加強(qiáng)桁架的上、下弦桿軸力情況。
根據(jù)計(jì)算，方案1彎矩大于方案2彎矩近1倍；方案2中轉(zhuǎn)換大梁跨中處次結(jié)構(gòu)柱呈受拉狀態(tài)，軸力約為650kN，而方案1中次結(jié)構(gòu)柱呈受壓狀態(tài)，壓力值約為112kN；方案2可使頂部加強(qiáng)桁架的軸力為4 460kN，方案1為3 800kN。
綜上可知，逐步成型的多級(jí)上掛下承結(jié)構(gòu)與一步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)比較，轉(zhuǎn)換大梁分配的荷載會(huì)減半，大大降低了轉(zhuǎn)換大梁的應(yīng)力水平，使其處于設(shè)計(jì)的允許值范圍內(nèi)；另外，會(huì)提高頂部加強(qiáng)桁架的強(qiáng)度利用率約20%；此外，最后卸載轉(zhuǎn)換大梁使得跨中原本受壓的次結(jié)構(gòu)柱轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾�，有效保證了結(jié)構(gòu)的承載力。
4.2.3后裝段樓層確定
后裝段所在的樓層越低，傳至轉(zhuǎn)換梁的荷載越小，頂部加強(qiáng)桁架的負(fù)擔(dān)越大。以轉(zhuǎn)換大梁的強(qiáng)度能夠滿足要求且能充分發(fā)揮承載作用以及次結(jié)構(gòu)柱能夠承擔(dān)施工過(guò)程中的荷載為指標(biāo)確定后裝段的位置，將后裝段盡可能上移，最后通過(guò)轉(zhuǎn)換大粱的卸載使荷載分配更加均衡。
初步計(jì)算分析將后裝段確定在72層，隨著設(shè)計(jì)深度的增加以及設(shè)計(jì)與施工的相互協(xié)調(diào)分析，最終將后裝段的位置確定在77層。具體原因如下。
1)2種不同位置的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析
后裝段位于77層時(shí)，跨中次結(jié)構(gòu)柱最終呈受拉狀態(tài)，兩側(cè)4根次結(jié)構(gòu)柱均受壓；后裝段位于72層時(shí)，中部3根次結(jié)構(gòu)柱均受拉，兩端處的次結(jié)構(gòu)柱受壓。2種工況下，次結(jié)構(gòu)柱最終的受力變化較小，且都在其規(guī)范允許值內(nèi)。
后裝段位于72層與后裝段位于77層相比，轉(zhuǎn)換大梁分配的荷載比例降低，僅就此項(xiàng)分析，后裝段位置不宜過(guò)高，但后裝段位置過(guò)低會(huì)造成轉(zhuǎn)換大梁強(qiáng)度不能充分利用。
后裝段位于77層與后裝段位于72層相比，傳遞至頂部加強(qiáng)桁架的荷載反而會(huì)略微增大，主要原因在于后裝段以上的樓層越多，次結(jié)構(gòu)的空腹桁架效應(yīng)越明顯，通過(guò)次結(jié)構(gòu)空腹桁架效應(yīng)直接傳遞至兩側(cè)主結(jié)構(gòu)柱的荷載比例就會(huì)增加。
綜上所述，結(jié)構(gòu)受力對(duì)比分析并非是后裝段從72層優(yōu)化至77層的控制因素。
2)2種不同位置的施工工期分析
后裝段位于72層時(shí)，暫緩澆筑的混凝土樓層數(shù)量為16層，每層施工工期2d，合計(jì)32d。后裝段位于77層時(shí)，較位于72層縮短了5層共計(jì)10d工期，幕墻施工每層3d共計(jì)15d，合計(jì)縮短25d工期，對(duì)于工期緊張的超高層而言，工期效益顯著。
因此，后裝段優(yōu)化至77層，主要出于工期效益考慮。
4.2.4整體施工順序確定
在確定后裝段的形式、位置及轉(zhuǎn)換大梁的卸載時(shí)間后，確定最終施工控制順序如圖3所示。
5 結(jié)語(yǔ)
本文基于武漢中心工程酒店大堂限高和轉(zhuǎn)換大梁尺寸受限的要求，創(chuàng)造性地提出了一種新型逐級(jí)成型的上掛下承結(jié)構(gòu)體系，從結(jié)構(gòu)的提出與確定、目標(biāo)研究以及主動(dòng)控制技術(shù)方法運(yùn)用等方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)確定了整個(gè)施工控制程序，形成了一套上掛下承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主動(dòng)控制技術(shù)，并成功在武漢中心工程中得到應(yīng)用，為類似超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有益借鑒和參考。
