超高、超長建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干關(guān)鍵技術(shù)

1、45超高、超長建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)自網(wǎng)絡(luò)-原作者：傅學(xué)怡 中建國際顧問有限公司總工程師我給大家介紹一下最近我們做的項(xiàng)目中我覺得一些比較關(guān)鍵的技術(shù)，主要講三個(gè)內(nèi)容： 一是新高規(guī)即將頒布了，其中有一條，在做動(dòng)力彈塑性分析前，必須要做施工全過程模擬，帶著這樣一個(gè)比較符合實(shí)際的重力荷載的工況和狀態(tài)，進(jìn)入彈塑性分析。我在這里講一下施工全過程模擬與施工控制，以中鋼國際廣場為例。 二是重力荷載下長期變形以及長期變形的控制，以平安國際金融中心為例。 三是超長結(jié)構(gòu)的溫度收縮效應(yīng)分析與控制，以已竣工的深圳北站為例。 案例：中鋼國際廣場 中鋼國際廣場將近40萬平米，主樓84層，358米，主要特點(diǎn)是在下部1/2

2、高度以下采用六邊形編制的窗洞構(gòu)成外網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)，建筑師不允許里面再加柱子，針對六邊形外網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)我們做了一些工作，下面我把結(jié)構(gòu)構(gòu)成的情況跟大家說一下。 我們有內(nèi)筒，底下的厚度是1.15米，到了上面變成500，現(xiàn)在做住宅，只要有樓梯、有電梯都是混凝土墻去封，但是超高層這么去封是不合理的，因?yàn)樽灾鼐秃艽罅耍晕覀儼褖ο鄬Φ募?、對稱，同時(shí)受力、延性、承載力等方面都會(huì)有所改善。內(nèi)筒的構(gòu)成跟國貿(mào)三期一樣，采用內(nèi)層鋼板，但內(nèi)層鋼板在設(shè)計(jì)上已經(jīng)有預(yù)留在鋼板兩翼的混凝土連接的預(yù)留孔，預(yù)留孔里要放構(gòu)造、穿芯鋼筋，同時(shí)鋼板上要布置栓釘，栓釘按照鋼板剪力墻的主應(yīng)力，在主應(yīng)力方向多配，應(yīng)力小的部位少配。 整個(gè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

3、，上部是矩形鋼管的菱形網(wǎng)格，中部是一個(gè)過渡，下部是六邊形，上部菱形是酒店，每個(gè)房間的窗戶正好在中間，窗戶上沒有構(gòu)件，下部是六邊形網(wǎng)格。 樓面環(huán)梁有兩種類型，主要是根據(jù)建筑的需要，類型1要往里退，玻璃窗才能裝。我們在六邊形網(wǎng)筒上做了兩件事情，第一件事情是角部斜柱，正六邊形應(yīng)該都是120度，這里把它放大到130多度，它跟直線的夾角改為18度，可以節(jié)省鋼材，改善受力，這些都經(jīng)過詳細(xì)論證。第二件事是把非樓面橫梁做了剛度的優(yōu)化，國外沒有已建工程，但有這方面的方案，六邊形是六條邊相等的，我們做的是不等的，這里包括兩個(gè)不等，一是夾角到角部扶正，二是在六邊形橫梁上剛度適當(dāng)弱化，六邊形橫梁相當(dāng)于剪力墻的連梁，主

4、要是傳遞水平力，不傳遞豎向力，因此給它適當(dāng)?shù)厝趸?，有利于提高整體結(jié)構(gòu)的延性，同時(shí)不改變結(jié)構(gòu)的受力性能。 鋼梁是內(nèi)外筒鉸接，外筒和內(nèi)筒承擔(dān)的水平力和重力基本上五五開，鋼梁鉸接，樓板通過栓釘連接，這是模態(tài)計(jì)算的結(jié)果，周期大概是5.9秒，我們算下來過了6秒，在天津地區(qū)位移限制就有一點(diǎn)困難，早晨魏總講到位移和周期的關(guān)系，是有一定關(guān)系的，我們做了其他的工程，也是注意這個(gè)問題。 這是主要振型，可以看到結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)非常好，因?yàn)橥馔驳膭偠却蟆?我想講一下在中鋼這個(gè)項(xiàng)目中，我們覺得比較重要，而且技術(shù)效果、經(jīng)濟(jì)效果比較好的創(chuàng)新點(diǎn)，對于這樣一個(gè)六邊形的網(wǎng)筒，大家都知道，在水平荷載傾覆彎矩的作用下，主要的傾覆彎矩產(chǎn)生的

5、軸力都要跑到角部，因此角部的斜面剛度截面承載力要比中部增大，在這種情況下，由于六邊形橫梁的跨度非常小，大概是2米多。六邊形結(jié)構(gòu)一個(gè)基本點(diǎn)就是必須鋼結(jié)構(gòu)，就像早上講的水立方，在這樣的結(jié)構(gòu)上也必須剛接，不剛接，這個(gè)結(jié)構(gòu)下沉變形非常大，豎向剛度很弱。一剛接，帶來的問題就是重力荷載的傳力不直接，就是由于六邊形角部斜柱的截面剛度大于中部，使得中部的重力荷載往角部轉(zhuǎn)移，當(dāng)我們把角部斜柱的截面加大，轉(zhuǎn)移的就更多，這就是死循環(huán)，很難進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這種情況下我們就想到了一個(gè)措施，能否采取施工措施，把50%以上的結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的應(yīng)力不讓它轉(zhuǎn)移，來改善六邊形網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位構(gòu)件的承載性能，因?yàn)樗@部分受的力小了，應(yīng)力降

6、低了，就為這部分斜柱抵抗中震、大震、風(fēng)荷載時(shí)承受傾覆彎矩留了余地。 我們采取兩條措施：第一條措施是跟角部斜柱相連的最后一道樓面水平梁，我們把它兩端后接，切斷重力荷載傳遞到角部區(qū)的途徑；第二條措施是因?yàn)樯喜咳绻挥么胧?，上部交叉網(wǎng)筒，因?yàn)橐徊糠纸孛娲笥诹硪徊糠?，剛度也是一大一小，力還是要角部轉(zhuǎn)移，我們在過渡區(qū)頂部的8根柱子采用后接，把交叉網(wǎng)筒上部40層的重力荷載變到中部去，這兩條施工措施有點(diǎn)類似伸臂覆桿后樁措施一樣。 對應(yīng)這個(gè)施工措施，我們必須要進(jìn)行非常慎重的計(jì)算分析，第一個(gè)分析就是分析它的變形，第二個(gè)分析是施工措施對應(yīng)的施工階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力。我們分析它的變形，可以看到隨著下面往上走，豎

7、向位移在增大，最大可達(dá)6公分左右，因?yàn)槟闱袛嗔?，角部斜柱受的力很小，中部就要往下沉，我們指的位移差是指角部斜柱和中部斜柱后裝兩點(diǎn)之間的位移差。根據(jù)這個(gè)位移差，根據(jù)它的豎向位移和水平位移，我們要設(shè)計(jì)特殊的連接節(jié)點(diǎn)，這個(gè)鋼梁我們是切斷，所謂切斷并不是施工階段不裝，還是裝的，只是我們留出間隙螺栓和間隙，通過間隙螺栓和間隙適應(yīng)變形，然后等到主體結(jié)構(gòu)封頂再進(jìn)行連接。這是我們進(jìn)行的變形分析以后的節(jié)點(diǎn)的變形分析，算出間隙螺栓的孔的直徑，算出連接板和鋼梁之間的間隙，保證變形可以相融。其中大家可以看到，我們不是把鋼板直接跟柱子接，而是在施工時(shí)伸出一個(gè)懸臂端，我們稱之為“零應(yīng)力段”，因?yàn)橐粋€(gè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)生成了，在主結(jié)

8、構(gòu)上動(dòng)會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全，同時(shí)也會(huì)造成結(jié)構(gòu)的內(nèi)傷，我們都是采用“零應(yīng)力段”，大家將來在做工程時(shí)這一點(diǎn)要特別當(dāng)心，我們做大跨度結(jié)構(gòu)，后做的東西必須要有“零應(yīng)力段”來做后接措施。 主體結(jié)構(gòu)完了以后，這個(gè)地方采取貼板連接構(gòu)成，來承受后期的荷載。 由于中部的斜柱要有下沉，等到施工完了以后，樓面就不平了，這是影響使用的，因此我們就提出了進(jìn)一步的控制技術(shù)，即中部結(jié)構(gòu)在施工時(shí)給它一個(gè)預(yù)留高度和中部斜柱的預(yù)留構(gòu)件長度，在施工圖時(shí)就把這個(gè)說清楚，等到以后上部結(jié)構(gòu)上去，標(biāo)高預(yù)留后，正好兩端平了，否則中間就塌下去了6公分，這邊角部斜柱不下去，樓板是不好接的。 這樣做完以后，整個(gè)結(jié)構(gòu)就滿足了使用要求，同時(shí)我們結(jié)合樓面的

9、后澆帶，在斷的后接的鋼梁兩邊設(shè)了樓板的后澆帶，讓它變形相融，所以整體結(jié)構(gòu)的變形與相融包括了樓板的相融、構(gòu)件的相融。 第二個(gè)施工措施是把上部開掉后裝，后裝這部分的變形差異主要來自于下部，包括剛才算的上部的荷載，兩點(diǎn)之間有豎向位移差，根據(jù)豎向位移差，根據(jù)轉(zhuǎn)角變形的影響，我們進(jìn)行拼接段的縫的設(shè)計(jì)和以后再連接的措施，這個(gè)地方拿掉的斜柱并不是施工的時(shí)候沒有，施工照樣裝上了?？匆豢床扇〈胧┮院髼U件的應(yīng)力對比，不采取措施和采取措施，重力荷載項(xiàng)、角部傾柱的軸力自重，產(chǎn)生的軸力彎矩可以有40%左右的下降，這個(gè)40%左右的下降是指結(jié)構(gòu)自重之下的，正因?yàn)樗南陆?，從而為結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)提供了可能，為結(jié)構(gòu)的良性設(shè)計(jì)提

10、供可能。角部下降了，中部會(huì)有所增加，增加了好不好呢？好，結(jié)構(gòu)受力更加均勻。 施工階段的穩(wěn)定，按照這樣的施工過程，我們做了全過程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析和承載力驗(yàn)算，同時(shí)我們考慮了10年一遇的風(fēng)荷載，來進(jìn)行施工階段結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算，我講這些東西的含義不能都交給施工單位，施工單位一個(gè)模型算完了，死循環(huán)，搞不定，交給施工單位是不對的。重力荷載下長期變形分析控制以平安國際金融中心為例，平安國際金融中心的高度調(diào)整了，他們想做中國第一高樓，剛才我在下面聽他們講的時(shí)候沒吱聲，現(xiàn)在塔樓的屋面高度是597米，天津117大廈是596米，但業(yè)主有這樣的要求，塔端高度調(diào)到660米，原來是648米。 主體結(jié)構(gòu)的體系基本上是雜交的結(jié)構(gòu)

11、體系，矩形框架加斜撐、核心筒、伸臂，帶狀桁架九道+帶狀桁架之間的斜撐，這是矩形框架的基本構(gòu)成。 第二個(gè)構(gòu)成是斜撐在施工階段要釋放，否則斜撐就會(huì)吸收比較多的重力，因?yàn)檫@個(gè)點(diǎn)和這個(gè)點(diǎn)豎向在重力荷載下有變形的差異，雖然一部分著力會(huì)從柱子走，但也有一部分著力會(huì)走到斜撐里，我們希望斜撐的工作狀態(tài)是重力下應(yīng)力為零，水平遞增，風(fēng)底下受力，就像連梁一樣，這樣的結(jié)構(gòu)是比較合理的，傳力也比較清晰，結(jié)構(gòu)是往好的方向走的。 伸臂一共做了四道，等會(huì)兒我要講到長期變形對伸臂的內(nèi)力是有影響的，由于長期變形的發(fā)展，核心筒和矩柱的著力是在發(fā)生改變的，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到安全度。 這是核心筒內(nèi)部的布置，和中鋼一樣。這是核心筒和周邊結(jié)構(gòu)

12、的關(guān)系，粉紅色的是比較新的，也是KPF建筑師提出的，做了一個(gè)空間的V形撐，來解決角部重力的局部轉(zhuǎn)移，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一定的解決水平荷載下從覆板往地緣轉(zhuǎn)移的過渡工作，它起到兩個(gè)作用。下面講一下豎向變形長期分析：施工模擬還有重要的兩點(diǎn)，我把它簡稱逐層找平和逐層找正，沒有逐層找平、找正，談不上后面的標(biāo)高預(yù)留和構(gòu)件長度預(yù)留。找平和找正是任何施工單位都必須做的，在施工過程中，結(jié)構(gòu)在壓縮，必須要找平和找正。 同時(shí)考慮混凝土的收縮徐變，從剛開始施工開始，一個(gè)一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)往下走，算到50年。這50年是這樣的，施工進(jìn)度是6天一層，即6天一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，設(shè)備及避難層是10天一層，即10天一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，然后還要考慮到巨柱滯后

13、、樓板同步與滯后、結(jié)構(gòu)安裝，這張表就是我們計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)長期變形的時(shí)間節(jié)點(diǎn)圖。 混凝土收縮徐變，我們用歐洲規(guī)范，中國規(guī)范目前在這方面不是很成熟，我們查了橋梁，它們計(jì)算也是用歐洲規(guī)范。同時(shí)考慮含鋼率，含鋼率在里面大概有20%30%左右的影響。 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)基本對稱，重力荷載下對稱性還可以，我們就考察核心筒的角點(diǎn)和矩柱，豎向累積變形50年以后最大的變形大概是20公分，其中各個(gè)樓層的豎向變形是不同的，底部樓層等于零，頂部由于我們逐層找平、逐層找正，施工階段變形很小。中部很大，但是隨著時(shí)間的推移，混凝土的徐變和收縮不斷地進(jìn)展，后期上部的變形會(huì)下來。這是我們截出來的主要變形圖，從該圖可以看到幾條：一、使用1年

14、基本上和使用20年、30年差別很小，基本上是80%以上，因此我們后面提到的層高預(yù)留和構(gòu)件長度預(yù)留都是以一年為準(zhǔn)，我們反算過這個(gè)方法，一年以后就是達(dá)到原設(shè)計(jì)標(biāo)高。 可以看到在前期、后期，徐變收縮和彈性變形所占的比例，核心筒的徐變收縮所占的比例會(huì)大，因?yàn)榫刂暮撀适菑?開始，到4，核心筒的含鋼率大概是在2左右。它們的應(yīng)力水平，我們控制基本是接近的，但因?yàn)楹撀实牟煌瑤聿煌?。正因?yàn)檫@樣，矩柱的核心筒豎向是有變形差的，這個(gè)變形差各層、各年都不一樣，部位也不一樣，我們捕捉了最大的變形，發(fā)現(xiàn)對伸臂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力最大可達(dá)14%。 與此同時(shí)，底部矩柱的著力，由于它的含鋼率高，會(huì)隨著時(shí)間的推移有所增加，

15、核心筒會(huì)有所減小，所以矩柱的設(shè)計(jì)要留有余地。在矩柱里面的型鋼和混凝土，考慮了徐變收縮以后，型鋼應(yīng)力要增加，混凝土應(yīng)力會(huì)退化，這些都需要復(fù)核。 樓層標(biāo)高施工預(yù)調(diào)：我們已經(jīng)讓施工逐層按設(shè)計(jì)標(biāo)高走，但是整個(gè)結(jié)構(gòu)在繼續(xù)下沉，特別是在后期徐變收縮下，結(jié)構(gòu)要繼續(xù)下伸變形，我們根據(jù)剛才前面分析的內(nèi)容，提出了“層高施工預(yù)調(diào)”的理念，現(xiàn)在圖紙就按照這個(gè)出，每層給出一個(gè)層高預(yù)調(diào)量，同時(shí)伴隨著層高預(yù)調(diào)，構(gòu)件的長度要預(yù)留，否則層高預(yù)調(diào)調(diào)不出來，根據(jù)前面計(jì)算的結(jié)果，構(gòu)件長度預(yù)留有一系列方法，層高不是均勻的，層高高的地方是6毫米，層高在4.5米左右的，大概是23毫米。 提出這些的東西調(diào)整我們覺得是重要的，它是一種發(fā)展的趨

16、勢、變形的趨勢，如果不管，因?yàn)橛惺┕ふ`差，它可以有正誤差，也可以有負(fù)誤差，這樣我們就可以控制它的正誤差，減小負(fù)誤差。 超長結(jié)構(gòu)的溫差收縮效應(yīng)：以深圳北站為例，深圳北站是深圳市的主要交通樞紐，其中有4、5、6號(hào)線地鐵穿越，特別是上部有高位穿越的16號(hào)線，下面還有新區(qū)大道和幾十條鐵路線。關(guān)于超長方面，在大型體育場館，包括杭州800米長的，都是不設(shè)縫（包括地下室），已建的山西500米、濟(jì)南400米，已經(jīng)建好了，都是不設(shè)縫，而且使用兩三年，還沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。 這是候車室，鐵路部原來要求做大柱網(wǎng)，我們這個(gè)柱網(wǎng)是8386，雙向大柱網(wǎng)大廳很氣派，下面的無柱站臺(tái)采用新型的四邊形環(huán)索弦支，改變現(xiàn)在的圓形環(huán)索弦支，

17、環(huán)索受力是斜拉索受力的810倍，把環(huán)索的受力降到和斜拉一個(gè)水平，提高結(jié)構(gòu)的安全性和有效性，已經(jīng)申報(bào)了國家的專利。 接下來著重講一下計(jì)算要點(diǎn)： 一是要全過程模擬。全過程模擬里面，結(jié)構(gòu)生成要模擬生成過程中的溫度變化模擬，舉個(gè)例子，1月份生成的結(jié)構(gòu)，終身處于升溫階段，不會(huì)受拉；8月份生成的結(jié)構(gòu)，終身處于受拉，不會(huì)受壓，因?yàn)橛肋h(yuǎn)要降溫，我們講的是溫度，所以一個(gè)房子不管是在什么月份生成的，統(tǒng)一一個(gè)溫差進(jìn)去，內(nèi)力全亂了，變形也全亂了，不符合實(shí)際情況，我們要根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的生成過程和溫度來模擬。 二是放棄固定端假定。我們現(xiàn)在的模型都把基礎(chǔ)作為固定端，實(shí)際上所有的天然地基和樁基剛度都是有限的，我們做水平荷載實(shí)現(xiàn)、豎向承載力實(shí)現(xiàn)，有力就有變形，就是有剛度，而不是無限剛，當(dāng)你把它簡化成固定剛和不動(dòng)鉸，就把它剛度跨到無窮大，明顯與實(shí)際不符，因?yàn)槲覀兪且宰冃蝸砬髢?nèi)力，因此這樣的預(yù)縮剛度是一個(gè)很重要的理念，要把它引入，然后考慮混凝土的徐變，這就是溫差收縮效應(yīng)計(jì)算分析中的幾個(gè)要點(diǎn)。 當(dāng)然，除了溫差收縮效應(yīng)以外，還有一條就是后澆帶、后澆塊的措施，以及后澆帶、后澆塊的施工模擬也非常重要，在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行比較仔細(xì)的分析，然后要采