武漢中心工程逐級成型上掛下承結(jié)構(gòu)選型研究*
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周杰剛，陳 鍇，武 超，施紅軍，黃擋玉
（中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430064）
[摘要]根據(jù)武漢中心工程65層酒店大堂的建筑功能要求，66層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)高度需限定在1. 2m以內(nèi)。在巨型框架結(jié)構(gòu)、巨型懸掛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合過程設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)卸載技術(shù)，將65層以上外框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)，利用頂部環(huán)帶桁架懸掛減少下部轉(zhuǎn)換大梁的承載力，以實(shí)現(xiàn)建筑功能需求，并系統(tǒng)地介紹其原理。該結(jié)構(gòu)形式新穎，在400m以上超高層建筑中首次采用，較好地解決了結(jié)構(gòu)受限問題，取得較大效益。
[關(guān)鍵詞]高層建筑；上掛下承結(jié)構(gòu)；逐級成型；懸掛結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)換梁；后裝段
[中圖分類號]TU974[文章編號]1002-8498(2016)05-0027-04
0 引言
武漢中心工程總建筑面積36萬m2，塔樓高438m，塔樓整體結(jié)構(gòu)形式為外框鋼管混凝土巨柱框架+核心筒+伸臂桁架。塔樓從下至上建筑功能分為高級辦公、酒店公寓、酒店客房及觀光層。本文以實(shí)現(xiàn)建筑功能的需求為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合各種不同結(jié)構(gòu)形式的對比分析以及目前施工技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)造性地提出一種新型逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)形式，并介紹其原理。塔樓整體功能分區(qū)如圖1所示。
1 逐步成型的上掛下承結(jié)構(gòu)形式確定
1.1 建筑功能需求及限制條件
武漢中心塔樓65層為酒店大堂，建筑限制條件為：層高8. 4m，外框8根邊柱在65層樓面處收頭形成跨度28. 35m的大跨空間，66層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件高度限制為1. 2m，同時(shí)66層及以上的各層酒店客房結(jié)構(gòu)柱開間≥4. 725m，以保證房間向外的可視范圍，酒店大堂平面如圖2所示。
1.2不同結(jié)構(gòu)形式的對比分析
結(jié)合建筑造型及結(jié)構(gòu)初步計(jì)算分析，武漢中心外框結(jié)構(gòu)整體體系采用巨型鋼管混凝土柱及多道環(huán)帶桁架組成的巨型框架結(jié)構(gòu)，每層共設(shè)置16根巨型鋼管混凝土柱，其中角部設(shè)置8根，每側(cè)面設(shè)置2根，結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。
66層以上外框可采用的結(jié)構(gòu)形式有巨型框架結(jié)構(gòu)和巨型懸掛結(jié)構(gòu)，這2種結(jié)構(gòu)形式上、下部結(jié)構(gòu)均可以靈活布置，能夠獲得無柱大空間，滿足酒店大堂的需求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路為取消外框65層樓面以上的8根邊柱，酒店客房區(qū)采用次框架結(jié)構(gòu)，以滿足柱間開間的需求。最終采用何種結(jié)構(gòu)形式取決于幾個(gè)重要因素：對建筑功能的影響、對整體結(jié)構(gòu)受力的影響、施工可行性以及整體經(jīng)濟(jì)效益。需結(jié)合這些因素對各種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行詳細(xì)分析比較。
1.2.1 利用桁架作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的巨型框架結(jié)構(gòu)
形式
利用桁架作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是最常規(guī)的一種結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)試算分析，采用桁架作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的巨型框架結(jié)構(gòu)形式，需要占用上部樓層空間來布置桁架，用鋼量約900t，不經(jīng)濟(jì)，如圖4所示。
1.2.2 巨型懸掛結(jié)構(gòu)
巨型懸掛結(jié)構(gòu)是將部分次結(jié)構(gòu)懸掛在頂部較強(qiáng)轉(zhuǎn)換桁架上的一種結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)將常規(guī)受壓的次結(jié)構(gòu)柱轉(zhuǎn)換為受拉的次結(jié)構(gòu)柱，一方面可取消下部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，另一方面可減小次結(jié)構(gòu)柱的截面尺寸，同時(shí)其下部可以獲得較大空間。65層以上采用巨型懸掛結(jié)構(gòu)，主要缺點(diǎn)有：外框在65層處剛度突變較大，且此處取消轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)會造成塔樓結(jié)構(gòu)冗余度偏小，施工困難。其結(jié)構(gòu)布置形式如圖5所示。
1.2.3 利用轉(zhuǎn)換大梁作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的巨型框架結(jié)構(gòu)形式
在66層設(shè)計(jì)1. 2m高的轉(zhuǎn)換大梁作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，材質(zhì)Q345，采用箱形截面，上、下翼緣厚100mm，腹板厚80mm，跨中寬度為2 380mm，端部寬度為1 260mm。施工過程中，轉(zhuǎn)換大梁下部設(shè)置臨時(shí)胎架，然后逐層施工各樓層，待頂部環(huán)帶桁架和樓面結(jié)構(gòu)施工完成后卸載轉(zhuǎn)換大梁支撐胎架。上部整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力根據(jù)轉(zhuǎn)換大梁、頂部環(huán)帶桁架及中部次結(jié)構(gòu)剛度比例進(jìn)行分配，結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。
根據(jù)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，轉(zhuǎn)換大梁使用過程中的最大應(yīng)力比接近1.0，超出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限值，轉(zhuǎn)換大梁卸載過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力（占結(jié)構(gòu)所有荷載約50%的結(jié)構(gòu)自重）重分布完全取決于各部分結(jié)構(gòu)的剛度比，造成轉(zhuǎn)換大梁負(fù)荷超限。
1.2.4 逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)形式
此結(jié)構(gòu)形式將巨型懸掛結(jié)構(gòu)和利用轉(zhuǎn)換大梁作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式緊密結(jié)合，在次結(jié)構(gòu)某樓層設(shè)置一次卸載過程，先將部分荷載主要懸掛在頂部環(huán)帶桁架上，然后在轉(zhuǎn)換大梁卸載過程中再次對未懸掛部分荷載進(jìn)行重分布，通過這種逐級的卸載過程，控制轉(zhuǎn)換大梁負(fù)荷在其承載力范圍內(nèi)。按照局部到整體的思路，分關(guān)鍵工況和全過程驗(yàn)證分析對施工和卸載過程中荷載分配進(jìn)行控制和監(jiān)測。
逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)形式關(guān)鍵部件包含頂部加強(qiáng)桁架、轉(zhuǎn)換大梁及次結(jié)構(gòu)處的后裝段，其核心在于施工過程控制，轉(zhuǎn)換大梁承載了一部分上部次結(jié)構(gòu)的荷載，同時(shí)也有效加強(qiáng)了外框結(jié)構(gòu)體系的整體剛度和整體穩(wěn)定性，保證了結(jié)構(gòu)的冗余度在規(guī)范允許范圍內(nèi)。根據(jù)初步計(jì)算分析，后裝段樓層確定在72層，結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。
經(jīng)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，轉(zhuǎn)換大梁最大的應(yīng)力比為0.8，滿足規(guī)范要求。對逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)形式過程模擬計(jì)算分析如下，以下計(jì)算僅考慮施工過程中的荷載（結(jié)構(gòu)自重及施工荷載）。
1)轉(zhuǎn)換大梁 由轉(zhuǎn)換大梁跨中彎矩圖可知，轉(zhuǎn)換大梁跨中彎矩最大值為7 350kN -m，是未設(shè)置后裝段結(jié)構(gòu)形式下的1/2，大大降低了轉(zhuǎn)換大梁的負(fù)荷，從而使得轉(zhuǎn)換大梁能夠滿足承載力需求。由轉(zhuǎn)換大梁變形圖可知，由于設(shè)置了后裝段，次框架結(jié)構(gòu)的卸載分為2個(gè)過程，轉(zhuǎn)換大梁卸載時(shí)，其跨中發(fā)生的最大豎向變形值< 25mm，較不采用后裝段的結(jié)構(gòu)形式減少1/3，施工過程中可采取措施避免變形對樓板混凝土的影響。
2)頂部加強(qiáng)桁架 對頂部加強(qiáng)桁架的受力計(jì)算可知，上、下弦桿的軸力約為4 300kN，較未設(shè)置后裝段的結(jié)構(gòu)形式增加超過1/3，說明后裝段的設(shè)置使得更多的荷載傳遞至頂部加強(qiáng)桁架，但是由于后裝段的卸載過程，使得后裝段以上的次結(jié)構(gòu)“空腹桁架”效應(yīng)更加明顯，后裝段以上的次結(jié)構(gòu)荷載也有一部分直接通過次結(jié)構(gòu)傳遞至兩側(cè)主結(jié)構(gòu)柱。
綜上所述，逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)形式下，次結(jié)構(gòu)傳遞至頂部加強(qiáng)桁架的荷載更多，而傳遞至轉(zhuǎn)換大梁的荷載更少，從而使得原本承載力不足的轉(zhuǎn)換大梁能夠滿足承載力需求。
2逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)分析
2.1 結(jié)構(gòu)形成步驟分析
逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)包含兩級卸載，即后裝段卸載和轉(zhuǎn)換大梁卸載。第1級卸載是后裝段的卸載，通過此級卸載形成以后裝段為界的上懸掛、下支承結(jié)構(gòu)，大大減小了轉(zhuǎn)換大梁負(fù)荷；第2級卸載是轉(zhuǎn)換大梁卸載，在上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部完成且后裝段終固完成后進(jìn)行，此步驟會促使原支承部分結(jié)構(gòu)荷載再一次內(nèi)力重分布，使得更多的荷載再次傳遞至頂部加強(qiáng)桁架，從而確保轉(zhuǎn)換大梁負(fù)荷在其承載力范圍內(nèi)。
2.2 結(jié)構(gòu)工況原理分析
根據(jù)結(jié)構(gòu)形成過程，整體上分為3個(gè)大工況：后裝段卸載以前工況（工況1）、后裝段卸載至終固時(shí)工況（工況2）以及轉(zhuǎn)換大梁卸載后工況（工況3）。
2.2.1 后裝段卸載以前工況
工況1工序：先安裝其臨時(shí)支撐胎架，再安裝轉(zhuǎn)換大梁，隨后按照正常施工順序（即鋼結(jié)構(gòu)吊裝→壓型鋼板鋪設(shè)→鋼筋綁扎→混凝土澆筑）施工結(jié)構(gòu)至后裝段樓層，然后安裝后裝段處的臨時(shí)支撐裝置和以上各層的鋼結(jié)構(gòu)，并完成各層壓型鋼板鋪設(shè)及鋼筋綁扎工作，過程中混凝土?xí)壕彎仓�，最后安裝完成頂部加強(qiáng)桁架。
轉(zhuǎn)換大梁僅作為傳力結(jié)構(gòu)，頂部加強(qiáng)桁架以下的各層結(jié)構(gòu)荷載大部分向下傳遞至轉(zhuǎn)換大梁，再通過轉(zhuǎn)換大梁臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)傳遞至下部永久結(jié)構(gòu)，極少部分的荷載通過次結(jié)構(gòu)梁傳遞至兩側(cè)鋼管柱及核心筒結(jié)構(gòu)上，此時(shí)次結(jié)構(gòu)柱在轉(zhuǎn)換大梁上表面的根部應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)允許的最大水平，荷載傳遞路徑如圖8a所示。
2.2.2后裝段卸載至終固時(shí)的工況
工況2工序：先進(jìn)行后裝段卸載，然后逐層澆筑后裝段以上各層樓面混凝土，待后裝段處豎向變形穩(wěn)定后，將后裝段處上、下兩節(jié)柱焊接終固，完成整體結(jié)構(gòu)的安裝。
以后裝段為界，后裝段以上各樓層的荷載主要通過次結(jié)構(gòu)向上傳遞至頂部加強(qiáng)桁架，而后裝段下方的各樓層荷載大部分向下傳遞至轉(zhuǎn)換大梁，再通過轉(zhuǎn)換大梁臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)傳遞至下部永久結(jié)構(gòu)，兩部分荷載均有少部分直接傳遞至兩側(cè)的鋼管柱上。此時(shí)，次結(jié)構(gòu)柱根部應(yīng)力有所減小，但仍會處于較高的狀態(tài)，荷載傳遞路徑如圖8b所示。
2.2.3轉(zhuǎn)換大梁卸載后工況
工況3條件下，完成轉(zhuǎn)換大梁的卸載工作，最終形成完整的上掛下承結(jié)構(gòu)。
轉(zhuǎn)換大梁卸載時(shí)，由于轉(zhuǎn)換大梁及次結(jié)構(gòu)的向下變形使得荷載根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)的剛度再次重分布，鑒于頂部轉(zhuǎn)換桁架的剛度設(shè)計(jì)較強(qiáng)（結(jié)構(gòu)整體剛度的需求），在卸載過程中，原后裝段以下的樓層荷載部分會向上傳遞至頂部加強(qiáng)桁架上，而傳遞至轉(zhuǎn)換大梁的荷載會減小，次結(jié)構(gòu)柱根部的應(yīng)力也會再次減小，此時(shí)轉(zhuǎn)換大梁作為受力結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力水平處于設(shè)計(jì)范圍，荷載傳遞路徑如圖8c所示。
2.3逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件分析
在逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)中，頂部加強(qiáng)桁架在外框整體結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)時(shí)已基本確定，而轉(zhuǎn)換大梁及后裝段是此結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵部件。
2. 3.1后裝段形式
后裝段是整個(gè)體系中極其關(guān)鍵的部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)希望保持次結(jié)構(gòu)柱連續(xù)獲得較好的結(jié)構(gòu)冗余度，通過延緩次結(jié)構(gòu)柱開始傳遞荷載的時(shí)間，使得更多荷載在這條路徑形成之前傳遞到頂部加強(qiáng)桁架和兩側(cè)主結(jié)構(gòu)柱。
延緩次結(jié)構(gòu)柱向下傳力路徑的方法有多種：①通過設(shè)置臨時(shí)支托桁架，支撐某層以上結(jié)構(gòu)，待頂部加強(qiáng)桁架合龍后，再拆除該臨時(shí)支托桁架，并盡可能多地施加那些樓層的附加荷載；②按照常規(guī)的施工順序施工至頂部加強(qiáng)桁架合龍，然后將希望后裝的樓層柱“切斷”，改變次結(jié)構(gòu)柱內(nèi)的荷載傳遞路徑，強(qiáng)迫“切斷”柱以上的荷載均傳遞至頂部加強(qiáng)桁架，再“接上”被“切斷”次結(jié)構(gòu)柱。
經(jīng)過經(jīng)濟(jì)效益對比分析，最終采用第2種方法，用于“切斷”次結(jié)構(gòu)柱的是液壓卸載裝置，“接上”的方法是焊接。
2.3.2轉(zhuǎn)換大梁設(shè)計(jì)分析
該結(jié)構(gòu)形式下轉(zhuǎn)換大梁是提高外框整體冗余度的關(guān)鍵構(gòu)件。最不利工況下荷載取值為風(fēng)荷載的組合和中震彈性荷載組合方式。
綜上分析，轉(zhuǎn)換大梁在兩種最不利工況下計(jì)算結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)換大梁每根質(zhì)量為150t，合計(jì)約600t，較利用桁架作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式用鋼量減少了300t，節(jié)約造價(jià)。
次結(jié)構(gòu)柱底截面選取40mm厚鋼板，鋼材等級選用Q90，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為315MPa。柱高300mm，忽略剪力影響，柱底應(yīng)力約為280MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。
3 結(jié)語
本文在巨型框架結(jié)構(gòu)、巨型懸掛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合過程設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)卸載技術(shù)，提出新型逐級成型的上掛下承結(jié)構(gòu)形式，利用頂部環(huán)帶桁架懸掛減小下部轉(zhuǎn)換大梁的承載力，以實(shí)現(xiàn)建筑功能需求。該結(jié)構(gòu)形式新穎、安全，施工過程可控，節(jié)約鋼材300t以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著，適用于大跨度、大空間、大荷載工程，并在武漢中心工程中成功應(yīng)用。
