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

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 介紹一下項(xiàng)目中我覺得一些比較關(guān)鍵的技術(shù)，主要講三個內(nèi)容：

     一是高規(guī)，其中有一條，在做動力彈塑性分析前，必須要做施工全過程模擬，帶著這樣一個比較符合實(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)一些工作，下面是結(jié)構(gòu)構(gòu)成的情況。

     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?，所以把墻相對的集中、對稱，同時受力、延性、承載力等方面都會有所改善。

     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。 整個結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，上部是矩形鋼管的菱形網(wǎng)格，中部是一個過渡，下部是六邊形，上部菱形是酒店，每個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。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，做的是不等的，這里包括兩個不等，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)計算的結(jié)果，周期大概是5.9秒，算下來過了6秒，在天津地區(qū)位移限制就有一點(diǎn)困難。 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?/p>

     這個項(xiàng)目中，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)一個基本點(diǎn)就是必須鋼結(jié)構(gòu)，就像水立方，在這樣的結(jié)構(gòu)上也必須剛接，不剛接，這個結(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)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。在這種情況下能否采取施工措施，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)力降低了，就為這部分斜柱抵抗中震、大震、風(fēng)荷載時承受傾覆彎矩留了余地。

     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，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，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)這個施工措施，必須要進(jìn)行非常慎重的計算分析，第一個分析就是分析它的變形，第二個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。分析它的變形，可以看到隨著下面往上走，豎向位移在增大，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，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)這個位移差，根據(jù)它的豎向位移和水平位移，要設(shè)計特殊的連接節(jié)點(diǎn)，這個鋼梁是切斷，所謂切斷并不是施工階段不裝，還是裝的，只是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，不是把鋼板直接跟柱子接，而是在施工時伸出一個懸臂端，稱之為“零應(yīng)力段”，因?yàn)橐粋€結(jié)構(gòu)已經(jīng)生成了，在主結(jié)構(gòu)上動會影響結(jié)構(gòu)的安全，同時也會造成結(jié)構(gòu)的內(nèi)傷，都是采用“零應(yīng)力段”，大家將來在做工程時這一點(diǎn)要特別當(dāng)心，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)在施工時給它一個預(yù)留高度和中部斜柱的預(yù)留構(gòu)件長度，在施工圖時就把這個說清楚，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，整個結(jié)構(gòu)就滿足了使用要求，同時結(jié)合樓面的后澆帶，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，進(jìn)行拼接段的縫的設(shè)計和以后再連接的措施，這個地方拿掉的斜柱并不是施工的時候沒有，施工照樣裝上了。

     看一看采取措施以后桿件的應(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)計提供可能。角部下降了，中部會有所增加，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，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，施工單位一個模型算完了，死循環(huán)，搞不定，交給施工單位是不對的。

     第二，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，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。