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[转载]超高、超长建筑结构设计若干关键技术

发布于：2015-05-21 10:31:21 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

中建国际设计顾问有限公司总工程师傅学怡

我给大家介绍一下最近我们做的项目中我觉得一些比较关键的技术，主要讲三个内容：
一是新高规即将颁布了，其中有一条，在做动力弹塑性分析前，必须要做施工全过程模拟，带着这样一个比较符合实际的重力荷载的工况和状态，进入弹塑性分析。我在这里讲一下施工全过程模拟与施工控制，以中钢国际广场为例。
二是重力荷载下长期变形以及长期变形的控制，以平安国际金融中心为例。
三是超长结构的温度收缩效应分析与控制，以已竣工的深圳北站为例。
案例：中钢国际广场
中钢国际广场将近40万平米，主楼84层，358米，主要特点是在下部1/2高度以下采用六边形编制的窗洞构成外网筒结构，建筑师不允许里面再加柱子，针对六边形外网筒结构我们做了一些工作，下面我把结构构成的情况跟大家说一下。
我们有内筒，底下的厚度是1.15米，到了上面变成500，现在做住宅，只要有楼梯、有电梯都是混凝土墙去封，但是超高层这么去封是不合理的，因为自重就很大了，所以我们把墙相对的集中、对称，同时受力、延性、承载力等方面都会有所改善。
内筒的构成跟国贸三期一样，采用内层钢板，但内层钢板在设计上已经有预留在钢板两翼的混凝土连接的预留孔，预留孔里要放构造、穿芯钢筋，同时钢板上要布置栓钉，栓钉按照钢板剪力墙的主应力，在主应力方向多配，应力小的部位少配。
整个结构的构成，上部是矩形钢管的菱形网格，中部是一个过渡，下部是六边形，上部菱形是酒店，每个房间的窗户正好在中间，窗户上没有构件，下部是六边形网格。
楼面环梁有两种类型，主要是根据建筑的需要，类型1要往里退，玻璃窗才能装。我们在六边形网筒上做了两件事情，第一件事情是角部斜柱，正六边形应该都是120度，这里把它放大到130多度，它跟直线的夹角改为18度，可以节省钢材，改善受力，这些都经过详细论证。第二件事是把非楼面横梁做了刚度的优化，国外没有已建工程，但有这方面的方案，六边形是六条边相等的，我们做的是不等的，这里包括两个不等，一是夹角到角部扶正，二是在六边形横梁上刚度适当弱化，六边形横梁相当于剪力墙的连梁，主要是传递水平力，不传递竖向力，因此给它适当地弱化，有利于提高整体结构的延性，同时不改变结构的受力性能。
钢梁是内外筒铰接，外筒和内筒承担的水平力和重力基本上五五开，钢梁铰接，楼板通过栓钉连接，这是模态计算的结果，周期大概是5.9秒，我们算下来过了6秒，在天津地区位移限制就有一点困难，早晨魏总讲到位移和周期的关系，是有一定关系的，我们做了其他的工程，也是注意这个问题。
这是主要振型，可以看到结构的扭转非常好，因为外筒的刚度大。
我想讲一下在中钢这个项目中，我们觉得比较重要，而且技术效果、经济效果比较好的创新点，对于这样一个六边形的网筒，大家都知道，在水平荷载倾覆弯矩的作用下，主要的倾覆弯矩产生的轴力都要跑到角部，因此角部的斜面刚度截面承载力要比中部增大，在这种情况下，由于六边形横梁的跨度非常小，大概是2米多。六边形结构一个基本点就是必须钢结构，就像早上讲的水立方，在这样的结构上也必须刚接，不刚接，这个结构下沉变形非常大，竖向刚度很弱。一刚接，带来的问题就是重力荷载的传力不直接，就是由于六边形角部斜柱的截面刚度大于中部，使得中部的重力荷载往角部转移，当我们把角部斜柱的截面加大，转移的就更多，这就是死循环，很难进行设计。在这种情况下我们就想到了一个措施，能否采取施工措施，把50%以上的结构自重产生的应力不让它转移，来改善六边形网筒结构关键部位构件的承载性能，因为它这部分受的力小了，应力降低了，就为这部分斜柱抵抗中震、大震、风荷载时承受倾覆弯矩留了余地。
我们采取两条措施：第一条措施是跟角部斜柱相连的最后一道楼面水平梁，我们把它两端后接，切断重力荷载传递到角部区的途径；第二条措施是因为上部如果不用措施，上部交叉网筒，因为一部分截面大于另一部分，刚度也是一大一小，力还是要角部转移，我们在过渡区顶部的8根柱子采用后接，把交叉网筒上部40层的重力荷载变到中部去，这两条施工措施有点类似伸臂覆杆后桩措施一样。
对应这个施工措施，我们必须要进行非常慎重的计算分析，第一个分析就是分析它的变形，第二个分析是施工措施对应的施工阶段的结构稳定性和承载力。我们分析它的变形，可以看到随着下面往上走，竖向位移在增大，最大可达6公分左右，因为你切断了，角部斜柱受的力很小，中部就要往下沉，我们指的位移差是指角部斜柱和中部斜柱后装两点之间的位移差。根据这个位移差，根据它的竖向位移和水平位移，我们要设计特殊的连接节点，这个钢梁我们是切断，所谓切断并不是施工阶段不装，还是装的，只是我们留出间隙螺栓和间隙，通过间隙螺栓和间隙适应变形，然后等到主体结构封顶再进行连接。
这是我们进行的变形分析以后的节点的变形分析，算出间隙螺栓的孔的直径，算出连接板和钢梁之间的间隙，保证变形可以相融。其中大家可以看到，我们不是把钢板直接跟柱子接，而是在施工时伸出一个悬臂端，我们称之为“零应力段”，因为一个结构已经生成了，在主结构上动会影响结构的安全，同时也会造成结构的内伤，我们都是采用“零应力段”，大家将来在做工程时这一点要特别当心，我们做大跨度结构，后做的东西必须要有“零应力段”来做后接措施。
主体结构完了以后，这个地方采取贴板连接构成，来承受后期的荷载。
由于中部的斜柱要有下沉，等到施工完了以后，楼面就不平了，这是影响使用的，因此我们就提出了进一步的控制技术，即中部结构在施工时给它一个预留高度和中部斜柱的预留构件长度，在施工图时就把这个说清楚，等到以后上部结构上去，标高预留后，正好两端平了，否则中间就塌下去了6公分，这边角部斜柱不下去，楼板是不好接的。
这样做完以后，整个结构就满足了使用要求，同时我们结合楼面的后浇带，在断的后接的钢梁两边设了楼板的后浇带，让它变形相融，所以整体结构的变形与相融包括了楼板的相融、构件的相融。
第二个施工措施是把上部开掉后装，后装这部分的变形差异主要来自于下部，包括刚才算的上部的荷载，两点之间有竖向位移差，根据竖向位移差，根据转角变形的影响，我们进行拼接段的缝的设计和以后再连接的措施，这个地方拿掉的斜柱并不是施工的时候没有，施工照样装上了。
看一看采取措施以后杆件的应力对比，不采取措施和采取措施，重力荷载项、角部倾柱的轴力自重，产生的轴力弯矩可以有40%左右的下降，这个40%左右的下降是指结构自重之下的，正因为它的下降，从而为结构的抗震、抗风提供了可能，为结构的良性设计提供可能。角部下降了，中部会有所增加，增加了好不好呢？好，结构受力更加均匀。
施工阶段的稳定，按照这样的施工过程，我们做了全过程结构的稳定性分析和承载力验算，同时我们考虑了10年一遇的风荷载，来进行施工阶段结构的验算，我讲这些东西的含义不能都交给施工单位，施工单位一个模型算完了，死循环，搞不定，交给施工单位是不对的。
第二，重力荷载下长期变形分析控制。
以平安国际金融中心为例，平安国际金融中心的高度调整了，他们想做中国第一高楼，刚才我在下面听他们讲的时候没吱声，现在塔楼的屋面高度是597米，天津117大厦是596米，但业主有这样的要求，塔端高度调到660米，原来是648米。
主体结构的体系基本上是杂交的结构体系，矩形框架加斜撑、核心筒、伸臂，带状桁架九道+带状桁架之间的斜撑，这是矩形框架的基本构成。
第二个构成是斜撑在施工阶段要释放，否则斜撑就会吸收比较多的重力，因为这个点和这个点竖向在重力荷载下有变形的差异，虽然一部分着力会从柱子走，但也有一部分着力会走到斜撑里，我们希望斜撑的工作状态是重力下应力为零，水平递增，风底下受力，就像连梁一样，这样的结构是比较合理的，传力也比较清晰，结构是往好的方向走的。
伸臂一共做了四道，等会儿我要讲到长期变形对伸臂的内力是有影响的，由于长期变形的发展，核心筒和矩柱的着力是在发生改变的，设计时要考虑到安全度。
这是核心筒内部的布置，和中钢一样。这是核心筒和周边结构的关系，粉红色的是比较新的，也是KPF建筑师提出的，做了一个空间的V形撑，来解决角部重力的局部转移，同时实现一定的解决水平荷载下从覆板往地缘转移的过渡工作，它起到两个作用。
下面讲一下竖向变形长期分析：施工模拟还有重要的两点，我把它简称逐层找平和逐层找正，没有逐层找平、找正，谈不上后面的标高预留和构件长度预留。找平和找正是任何施工单位都必须做的，在施工过程中，结构在压缩，必须要找平和找正。
同时考虑混凝土的收缩徐变，从刚开始施工开始，一个一个时间节点往下走，算到50年。这50年是这样的，施工进度是6天一层，即6天一个时间节点，设备及避难层是10天一层，即10天一个时间节点，然后还要考虑到巨柱滞后、楼板同步与滞后、结构安装，这张表就是我们计算整个结构长期变形的时间节点图。
混凝土收缩徐变，我们用欧洲规范，中国规范目前在这方面不是很成熟，我们查了桥梁，它们计算也是用欧洲规范。同时考虑含钢率，含钢率在里面大概有20%~30%左右的影响。
因为结构基本对称，重力荷载下对称性还可以，我们就考察核心筒的角点和矩柱，竖向累积变形50年以后最大的变形大概是20公分，其中各个楼层的竖向变形是不同的，底部楼层等于零，顶部由于我们逐层找平、逐层找正，施工阶段变形很小。中部很大，但是随着时间的推移，混凝土的徐变和收缩不断地进展，后期上部的变形会下来。这是我们截出来的主要变形图，从该图可以看到几条：一、使用1年基本上和使用20年、30年差别很小，基本上是80%以上，因此我们后面提到的层高预留和构件长度预留都是以一年为准，我们反算过这个方法，一年以后就是达到原设计标高。
可以看到在前期、后期，徐变收缩和弹性变形所占的比例，核心筒的徐变收缩所占的比例会大，因为矩柱的含钢率是从6开始，到4，核心筒的含钢率大概是在2左右。它们的应力水平，我们控制基本是接近的，但因为含钢率的不同带来不同。正因为这样，矩柱的核心筒竖向是有变形差的，这个变形差各层、各年都不一样，部位也不一样，我们捕捉了最大的变形，发现对伸臂结构产生的附加应力最大可达14%。
与此同时，底部矩柱的着力，由于它的含钢率高，会随着时间的推移有所增加，核心筒会有所减小，所以矩柱的设计要留有余地。在矩柱里面的型钢和混凝土，考虑了徐变收缩以后，型钢应力要增加，混凝土应力会退化，这些都需要复核。
楼层标高施工预调：我们已经让施工逐层按设计标高走，但是整个结构在继续下沉，特别是在后期徐变收缩下，结构要继续下伸变形，我们根据刚才前面分析的内容，提出了“层高施工预调”的理念，现在图纸就按照这个出，每层给出一个层高预调量，同时伴随着层高预调，构件的长度要预留，否则层高预调调不出来，根据前面计算的结果，构件长度预留有一系列方法，层高不是均匀的，层高高的地方是6毫米，层高在4.5米左右的，大概是2~3毫米。
提出这些的东西调整我们觉得是重要的，它是一种发展的趋势、变形的趋势，如果不管，因为有施工误差，它可以有正误差，也可以有负误差，这样我们就可以控制它的正误差，减小负误差。
超长结构的温差收缩效应：以深圳北站为例，深圳北站是深圳市的主要交通枢纽，其中有4、5、6号线地铁穿越，特别是上部有高位穿越的16号线，下面还有新区大道和几十条铁路线。关于超长方面，在大型体育场馆，包括杭州800米长的，都是不设缝（包括地下室），已建的山西500米、济南400米，已经建好了，都是不设缝，而且使用两三年，还没有发现裂缝。
这是候车室，铁路部原来要求做大柱网，我们这个柱网是83×86，双向大柱网大厅很气派，下面的无柱站台采用新型的四边形环索弦支，改变现在的圆形环索弦支，环索受力是斜拉索受力的8~10倍，把环索的受力降到和斜拉一个水平，提高结构的安全性和有效性，已经申报了国家的专利。
接下来着重讲一下计算要点：
一是要全过程模拟。全过程模拟里面，结构生成要模拟生成过程中的温度变化模拟，举个例子，1月份生成的结构，终身处于升温阶段，不会受拉；8月份生成的结构，终身处于受拉，不会受压，因为永远要降温，我们讲的是温度，所以一个房子不管是在什么月份生成的，统一一个温差进去，内力全乱了，变形也全乱了，不符合实际情况，我们要根据实际结构的生成过程和温度来模拟。
二是放弃固定端假定。我们现在的模型都把基础作为固定端，实际上所有的天然地基和桩基刚度都是有限的，我们做水平荷载实现、竖向承载力实现，有力就有变形，就是有刚度，而不是无限刚，当你把它简化成固定刚和不动铰，就把它刚度跨到无穷大，明显与实际不符，因为我们是以变形来求内力，因此这样的预缩刚度是一个很重要的理念，要把它引入，然后考虑混凝土的徐变，这就是温差收缩效应计算分析中的几个要点。
当然，除了温差收缩效应以外，还有一条就是后浇带、后浇块的措施，以及后浇带、后浇块的施工模拟也非常重要，在此基础上，再进行比较仔细的分析，然后要采取措施。深圳火车站是400米左右的多层建筑，没有缝，算下来附加的应力、组合应力都能够满足设计需要，是经过铁道部专项认证的，现在楼已经盖好了，楼板也全部封了，没有裂缝。采用的措施，除了刚才说的后浇带措施以外，不管是后浇带还是楼板，相对低温热膜也是一个重要的措施，其他措施是没有采取的，现在800米的还没施工，500米的已施工很多，就是这些措施，没有裂缝，很幸运。

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