超高、超长建筑结构设计若干关键技术

介绍一下项目中我觉得一些比较关键的技术，主要讲三个内容：
一是高规，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一些工作，下面是结构构成的情况。
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。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，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，算下来过了6秒，在天津地区位移限制就有一点困难。 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。
这个项目中，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。
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，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，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，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。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，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，要设计特殊的连接节点，这个钢梁是切断，所谓切断并不是施工阶段不装，还是装的，只是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，不是把钢板直接跟柱子接，而是在施工时伸出一个悬臂端，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，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，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，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，做了全过程结构的稳定性分析和承载力验算，同时考虑了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，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。