装配式悬吊体系在筒仓工程中的应用研究

装配式悬吊体系在筒仓工程中的应用研究

高占阳

（北京未来科学城置地有限公司，北京，102200 ）

摘要： 装配式悬吊体系在筒仓工程方面的应用，能有效避免基础过多的问题，同时也能有效发挥钢结构抗拉性能好、施工便捷的特点。悬吊体系的冗余度较少，故应格外关注节点设计，确保安全。节点设计过程中，既要保证吊杆受拉，还要保证吊杆本身无焊接点。悬吊体系钢结构与筒仓的连接节点，主要分为刚接节点和铰接节点。其中，平台的径向主梁与筒仓刚接，筒顶大梁同筒仓铰接。这两种节点形式在国内乃至世界工程史上均属首创。

关键词： 装配式悬吊体系 有限元分析 节点设计

RESEARCH ON APPLICATION OF ASSEMBLED SUSPENSION SYSTEM IN SILO ENGINEERING

Gao Zhanyang  

(Beijing future science city land Co., Ltd, Beijing, 102200  )

ABSTRACT:  The application of fabricated suspension system in silo engineering can effectively avoid the problem of too many foundations, and can also effectively play the characteristics of good tensile performance and convenient construction of steel structures. The redundancy of suspension system is less, so special attention should be paid to the node design to ensure safety. In the process of node design, it is necessary to ensure that the suspender is not only tensioned, but also that there is no welding point in the suspender itself. The connection joints between the suspended steel structure and the silo are mainly divided into rigid joint and hinged joint. The radial main beam of the platform is rigidly connected with the silo, and the top beam of the silo is hinged with the silo. These two types of nodes are the first in the domestic and even the world engineering history.

Key words:  Fabricated suspension system，Finite element analysis ，Node design

概述

悬吊结构，又称悬挂结构，在解决建筑物使用功能上有诸多优势：

1)可以提供通透的大空间以满足不同建筑功能的需要;

2)可以通过调整结构体系自身的动力参数来达到减小结构在水平荷载对建筑物振动响应;

3)可以采用多个平面同时施工的方法以提高工作效率，节约工程工期;

4)可以充分利用材料性能以降低工程造价，等等。

所以，对建筑物悬吊结构体系依据既有筒仓改造工程实例进行可行性研究和设计优化有很深刻的现实意义。 

悬吊体系定义

悬吊结构[1~2]指荷载通过吊索或吊杆传递到固定在筒体或柱上的水平悬吊梁或桁架上，并通过筒体或柱传递到基础的结构体系。悬吊结构的水平荷载也由筒体或柱承受。

悬吊结构的造型新颖，能充分利用钢材和预应力混凝土的受拉工作性能，因而可增大结构跨度和大大减少钢材的用量，还可使现代建筑的形式更加富于变化，不受传统建筑做法限制，从而满足人们新形式下的审美诉求。

到目前为止，悬吊结构体系在经历近几十年来的飞速发展和优化创新后，已经广泛应用于房屋 建筑、桥梁等众多领域内。 在建筑领域内，它既可应用于简单的单层建筑，也可用于高层建筑以及改造项目。

悬吊体系发展概况

2.1国外发展概况

国外悬吊结构最初的应用在大跨度和大空间的单层建筑结构中，如大型桥梁、展厅、会议室等大空间建筑。随着社会的发展，在人口密集区进行旧房改造或翻新，受限于施工场地的约束，多数建筑形式在施工中难以展开工作面，而悬吊结构因其特有的施工工艺成为众多建筑师解决此类问题的首选。

国外建筑的悬吊结构发展早，有许多典型的案例。以美国明尼阿波利斯联邦储备银行为代表，它是一座著名悬吊结构建筑，其设计思路来自于悬索桥的设计思路。

该建筑的主体结构以两侧高塔来发挥出悬索桥桥墩的支撑作用，然后将钢架设在两侧高塔的塔顶之间，之后在钢架上悬吊钢索，把十二层的楼板悬挂起来。该建筑安全性要求较高的金库、保险柜等部分均位于在地下，安全性相对较低的办公和管理部分则建造在地上。

该建筑共计16层，两侧高塔相距约一百米。地面上部建筑是悬空的，整个悬吊体系除了两座高塔占用地面，其余部分均采取悬空布置，而留置下来的空地则被设计成室外广场，该广场同建筑物外面的公共区域连成整体，这样的设计最大限度地利用了宝贵的土地。结合建筑整体造型设计，通过布置不带反射效果的玻璃幕墙，充分地将高塔间的垂链形悬索结构体系展现在世人面前。主体结构封顶后，该建筑新颖奇特的悬吊结构引起舆论的广泛关注。

2.2国内发展情况

我国对悬挂建筑的研究和应用起步比较晚，在20世纪60年代初，我国建造的南昌拖拉机齿轮厂齿轮车间采用了悬挂结构体系。该建筑的柱网为12X12米,屋顶用4块4X4米的壳板组成一伞形，然后用8根拉索悬挂在立柱头上。经过不断的工程积累，我国建造了以香港汇丰银行主楼为代表的世界一流的悬吊结构体系建筑。

香港汇丰银行是目前世界上最高的大型悬挂结构建筑,1985年建成。地面上46层,高180米，采用5组桁架式悬挂结构，垂直构件为8组钢柱,每组4根柱子。香港汇丰银行以新颖的结构形式表现建筑造型，施工方案上能节省占地面积，而且由于悬吊体系属于非刚性连接，从而能大幅消减地震横向作用力，进而大幅减小地震给高层建筑带来的破坏。

香港汇丰银行实现了在超高层建筑上首次使用巨型悬挂体系，施工过程中，主体结构垂直偏差控制在20mm，大厦顶部水平晃动幅度小于500mm。同时，根据计算结果，主体悬吊结构能确保12级大风条件下的结构安全，同时能抵抗7级地震下产生的水平力。

工程概况

首钢园区西十筒仓改造工程北七筒项目,一共有7个直径22m，高20.45m的钢筋混凝土筒仓[4]。国内目前对圆形钢筋混凝土筒仓改造主要以办公为主，比较有代表性的是北京首钢园区西十筒仓南六筒，冬奥组委已入驻办公，六个独立的直径22m的圆形钢筋混凝土料仓每两个一组分别采用了两种结构形式，一种是筒中间设置四根钢柱，筒壁增加扶壁混凝土柱，另一种是沿筒壁一圈向内收1m增加间距较小的环形轴网，在筒内形成多层办公空间，均较大的利用了筒内的空间。

此次北七筒改造，也是以办公为主，其中4#筒仓采用悬挂体系，在筒顶设置钢梁，从梁上设置吊杆，然后吊挂两层平台。平台由环梁和径向梁组成，径向梁为主梁，一端固定在混凝土筒壁，另一端固定在吊杆上。两层平台间设置旋转楼梯，该楼梯也是悬挂到吊杆上。

图1 MIDAS 整体计算模型内部

Fig. 1The interior of the Midas overall calculation model

悬吊结构的受力特点

4.1悬吊结构的优点

在工业遗址改造[5]领域，装配式悬吊结构体系有很多优点。

(1)建筑造型新颖别致， 功能布置灵活，采光性能较好。悬吊结构体系中，除了既有结构等落地外，结构中剩余部分均从上方吊挂下来，这样的特性使悬吊结构及其容易创造出宽大的建筑空间。

(2)钢材量大幅度减少。 吊杆或拉索只承受拉力，能充分发挥钢材抗拉性能强的特点，同时因吊杆及拉索只受拉力，因此不需考虑构件的受压稳定问题，从而将构件截面减至最小。

(3)地基处理难度低。 因为悬吊结构的重力集中在承重主构件的基础上，基础面积相对集中且比较小。同时大部分杆件采用吊杆或拉索，由基础不均匀沉降产生的应力变化对悬吊部分影响不大，所以悬吊体系的基础施工难度相对较低。

(4)施工对原地面的扰动低。 因建筑本身的自重通过悬吊的方式传递给了主承重结构，而主承重结构地面扰动的面积较小，约为建筑楼层平面投影面积的十五分之一左右，未扰动部分地面可进行种植景观设计。

(5)就地震烈度较大地区而言，采用悬吊结构体系， 主体结构自振周期大，地震影响系数小，从而能很大程度上降低水平向地震力，提高结构的抗震承载力。

(6)对既有建筑进行改造或扩建时，悬吊结构施工可以跨道路进行，可以实现最大限度不影响施工区域内的正常经营，充分体现出悬吊结构体系便于施工的优越性。

4.2悬吊结构的缺点

装配式悬吊结构体系也有一些需要设计加强注意的不足之处。

(1)当悬吊结构体系采用钢索来承受和传递悬吊楼面的荷载时，如果荷载分布发生较大变动，由于钢索的抗弯刚度几乎为零，荷载变动大概率会造成悬吊部分结构产生整体偏移，因而在设计、施工过程中应充分考虑钢索悬吊体系的不稳定性，从而保证悬吊结构的安全。

(2)高层建筑悬吊结构体系如采用刚性核心简体结构体系，建筑物自重荷载和水平力均由刚性核心筒来承担，此时需充分考虑吊杆或者钢索与核心筒体之间的相对位移。竖向荷载自下而上传递给核心筒，再由核心筒自上而下传至地面的，力的传导路线虽然明确但却相对较远。此外悬吊体系中，拉杆承受高度集中的内力，应合理设置的加强措施在钢索锚固端上，以此解决吊杆应力高度集中的问题。

(3)因为建筑悬吊部分荷载基本上是由吊杆或悬索附属在承重主结构的桁架或大梁上，所以吊杆或悬索在设计时显得很重要，一定要从提高安全性能的角度来设计和验算。

(4)工业筒仓改造项目中，悬吊体系将荷载传递到筒顶搭梁上，而梁与筒壁的连接节点需要进行详细设计，确保力的传递顺畅。

计算分析

本工程采用Midas Gen进行有限元分析。Midas Gen具有人性化的操作界面，并且采用了卓越的计算机显示技术，在复杂几何模型建模上具备明显优势。建模过程中，恒荷载、活荷载分别转化成节点荷载、单元荷载施加到几何模型中。

图2 MIDAS 整体计算模型

Fig. 2 The Midas overall calculation model

图3 受力骨架

Fig. 3 The Force skeleton

设计过程中，要充分考虑荷载分布变化以及各楼层施工顺序对吊杆受力状态的影响，经与施工方沟通分析，将施工顺序定为如下过程：

1.吊挂体系构件放入筒仓内；

2.筒顶大梁施工；

3.内部悬挂平台梁安装，安装时流出筒顶楼板混凝土浇筑时产生的变形量；

4.筒顶楼板混凝土浇筑；

5.筒顶建筑面层做法施工；

6.内部悬挂平台梁紧固；

7.内部悬挂平台浇筑混凝土、建筑面层施工；

8.投入正常运营。

经过计算，悬吊体系满足安全使用要求，同时在荷载作用下，悬吊体系的吊杆，其内力为拉力，不存在上部变形大，中间楼层变形小而导致拉杆变压杆而导致失稳的情况。

图4 受力骨架应力分布

Fig. 4 The Stress distribution of force skeleton

图5 吊杆内力分布图

Fig. 5 Internal force distribution of suspender

悬吊节点设计

悬吊体系的冗余度较少，故应格外关注节点设计，确保安全。节点设计过程中，既要保证吊杆受拉，还要保证吊杆本身无焊接点。本项目中，创造性地提出多种全新的连接节点，具体做法见下图。

图6 悬吊节点详图

Fig. 6  Detail of suspension joint

图7 节点剖面图

Fig. 7  Node section details

图8 吊杆与梯梁连接节点详图

Fig. 8 Detailed drawing of connecting node of suspender and ladder beam

新增钢梁与原筒仓连接节点研究

新增结构与原筒仓的连接节点，主要分为刚接节点和铰接节点。其中，平台的径向主梁与筒仓刚接，筒顶大梁同筒仓铰接。之所以如此设计，主要考虑平台径向主梁截面较小，上下均有筒壁固定，为了增加安全冗余度，故设计成刚接；筒顶大梁跨度大，且梁顶没有筒壁，无法形成真正意义上的刚接，故采用铰接节点。节点做法如下图所示。这两种节点形式在国内乃至世界工程史上均属首创。

图9 钢梁与混凝土筒壁刚接节点

Fig. 9 Detailed drawing of rigid joint between steel beam and concrete cylinder wall

图10 钢梁与混凝土筒壁铰接节点

Fig.10 Detailed drawing of hinge joint between steel beam and concrete cylinder wall

结语

本项目的成功实施，是在筒仓工程项目改造领域首次引入装配式悬吊体系，可以在满足结构灵动多变的美学要求的同时，保证结构的安全及稳定，同时便于施工，降低工程造价，是值得推广的光辉案例。

当然，装配式悬吊体系本身还存在着一些诸如施工工序较复杂等问题，需要我们进一步的去研究解决。

参考文献：

[1] 于建军，白国良，杨帆等. 悬吊结构减震性能的振动台试验研究[J].工业建筑，2015,45(11):62-69.

[2] 张盈智，刘佳豪，周辰颖. 高雄市立图书总馆全悬吊结构设计与施工[J].建筑钢结构进展，2016,18 (6):58-72

[3] 李娜，王华林，向前，陈星.广东省博物馆新馆结构分析[J].建筑结构.2007年第37卷9期:48—51

[4] 吴宏丽，王天东. 混凝土筒仓顶板钢梁滑模提升就位技术[D].[J].施工技术，2009,38 (6):96-98

[5] 高占阳，石晓斌，张渊等.某工业遗址改造成的观景平台受力特性研究[J].建筑结构，2017,S2 :510-514