珠海仁恒濱海中心超高層懸掛鋼結構施工模擬分析
劉 堅1，陳 凡1,2，孫學水2，關 超2，張專濤2
（1．廣州大學土木工程學院，廣東廣州 510006；
2．廣東杭蕭鋼構有限公司，廣東珠海519000）
[摘要]珠海仁恒濱海中心A標段塔樓東側懸掛鋼結構為自承重懸掛體系，具有造型新穎奇特、結構傳力方式特殊的特點。超高層建筑結構傳力路徑長，路徑效應顯著，在施工過程中存在結構體系轉換。為保證施工過程的安全性，利用有限元軟件對4種不同方案施工順序進行了對比分析，研究不同施工順序對結構內力變形的影響。將正常施工模擬結果與一次整體加載結果進行對比分析，分析結果表明考慮幾何非線性的模擬施工方法與一次性整體加載所計算的結果有很大不同，前者更接近結構的實際狀態(tài)。
[關鍵詞]高層建筑；鋼結構；懸掛；施工模擬；有限元分析
[中圖分類號]TU391 [文章編號]1002-8498(2016)02-0043-05
1 工程概況
仁恒濱海中心坐落于珠海情侶路南端，拱北口岸旁，項目功能包括酒店、寫字樓、商業(yè)中心等。本工程建筑總層數為50層，其中地下4層，地上46層，建筑總高度215m，結構規(guī)劃總建筑面積124 401. 4m2。塔樓南、北兩側為裙房，共5層，塔樓采用帶加強層的框架-核心筒結構體系。如圖1所示。
2鋼結構懸掛體系
塔樓東側從6層開始有逐層內收的懸掛結構，懸掛結構最大懸挑長度為15m，整個懸掛結構通過斜吊柱連接將荷載傳遞到主體框架柱；為增加懸掛體系的安全冗余度，結構在6～7層、24~26層、33~ 35層3道加強層處增設鋼桁架。
本工程用鋼量約10 000t，鋼材最大板厚為80mm，鋼材主要材質為Q345B，Q345 GJC-Z25等。
本工程鋼構件主要類型包括：鋼管混凝土柱，矩形鋼管吊柱，H型鋼梁，鋼管混凝土柱最大截面口1400 x1 400×50×50;矩形鋼管吊柱最大截面為口800×800×50×50;H型鋼梁最大截面為H1 800 x700×35×50;裙房方管鋼架最大截面為口950 x950 x50×50。
3 鋼結構施工順序
本工程結構體系為帶加強層的框架-核心筒結構，東側懸掛結構與主體結構的施工關聯(lián)應是重點考慮的問題，結合整體結構特點，同時滿足總包施工方案，核心筒及外框架是主線需要先行展開施工。在主體結構施工到一定高度具備懸掛體系鋼結構施工條件后，及時展開鋼結構的吊裝作業(yè)。鋼結構施工應與土建施工密切配合，才能共同完成整體結構的施工任務。
東側懸掛結構26層以下為全鋼結構，26層以上為鋼混結構，因此整體塔樓施工主體A區(qū)和懸掛B區(qū)根據構件不同豎向分為以下2種施工順序。
1)塔樓1~ 26層 主體A區(qū)一條施工主線（包含主體結構Al區(qū)和西側懸挑結構A2區(qū)），東側懸掛B區(qū)為一條施工主線，A區(qū)領先B區(qū)結構約4層，有利于整體施工的流水作業(yè)。懸掛鋼結構的施工順序從上到下依次為：斜吊柱及鋼梁安裝、測量校正、焊接、鋪設鋼筋桁架模板、栓頂焊接等。
2)塔樓27~屋頂層 主體A區(qū)和東側懸掛B區(qū)同步施工。整體施工順序為：核心筒鋼骨柱吊裝、外框柱及斜吊柱吊裝、外框梁柱板鋼筋綁扎、混凝土澆筑。
在施工中鋼結構安裝同土建施工交叉緊密，土建按施工組織設計及總體進度計劃要求分區(qū)域分單元流水施工，施工完一個單元即清理作業(yè)面，并交由鋼結構施工，土建穿插進行鋼管混凝土澆筑工作。鋼結構每個單元安裝完成后立即組織工序驗收，驗收完成交給土建單位進行勁性結構及樓面的施工。
4 施工模擬分析
一個建筑從設計、施工到最終交付使用，需經歷一個漫長的施工過程。在施工過程中，不斷增長的結構承受著不斷增長著的恒荷載、活荷載以及施工期間荷載。因此在此過程中，結構體系一直處于一種變化中的狀態(tài)。由于大型復雜結構的施工過程是一個復雜的結構體系漸變的過程，施工過程結構體系從無到有、從簡單到復雜、從局部到整體、從施工安裝到整體竣工，結構的邊界條件、幾何形態(tài)、剛度以及受到的荷載也隨著施工過程發(fā)生變化。這種變化呈現(xiàn)出時變的特性，施工過程是一個耦合了時間的過程。在施工過程中，結構受力狀態(tài)與施工步驟在某些階段可能會表現(xiàn)出一定的非線性關系。
超高層懸掛鋼結構施工過程中主要需要考慮的時變因素有以下幾點。
1)結構時變 懸掛鋼結構的建造過程是一個動態(tài)的過程，結構從開始施工到拼裝成型，分析對象隨時間在不斷變化。預應力結構施工中預應力的輸入與控制也對結構剛度產生影響。因此，計算過程中可能需要不斷改變結構的剛度矩陣。
2)材料時變 高層建筑結構通常采用鋼結構與混凝土結構結合的形式，施工過程中鋼結構的材料性能基本保持不變，但是混凝土的時間依存材料性能隨時間不斷變化�；炷翝仓跗趧偠葹榱悖ㄟ^養(yǎng)護期間剛度逐漸形成，再經過一段時間之后剛度達到常規(guī)值，后期還會發(fā)生收縮徐變，體現(xiàn)了明顯的材料時變特性。
3)邊界時變在結構建筑成型的過程中，結構的邊界條件也會隨著施工過程發(fā)生變化。如臨時支撐胎架的卸載，隨著臨時支撐結構的脫離，整個結構內力發(fā)生重分布，體系也發(fā)生了變化。
高層建筑一般層數比較多，而且規(guī)模大，并且還具有工期長的特點，施工過程漫長而復雜。高層建筑從設計、施工到最終交付使用，這個過程中結構體系經歷了多個不同的階段。由于大型復雜結構的施工過程是一個復雜的結構體系漸變的過程，施工過程結構體系從無到有、從簡單到復雜、從局部到整體、從施工安裝到整體竣工，結構的邊界條件、幾何形態(tài)、剛度以及受到的荷載也隨著施工過程發(fā)生變化。這種變化呈現(xiàn)出時變的特性，施工過程是一個耦合了時間的過程。
結構的內力變形在施工過程中是不斷變化的。施工階段因內力重分布導致整體結構內力變形的狀態(tài)與理論設計中采用的將荷載一次性施加于完整結構上所產生的內力變形完全不一樣。對整個建筑物模型進行一次性加載時，所施加的荷載會傳遞到尚未施工的上部樓層。很顯然，這與實際情況是不符合的。因此必然會產生誤差。實際情況中，包括自重在內的任意樓層的施工階段荷載對上部樓層構件的內力是幾乎沒有影響的。
鑒于高層建筑建造過程中的階段性，采用不同的施工方案及控制方法，結構最終成型狀態(tài)必然也存在差異，尤其表現(xiàn)在結構的內力變形上。換言之，結構的施工最終狀態(tài)的內力變形不僅與施工的階段性過程密切相關，而且同施工過程中所采用的施工工藝、方法也有重要的關系。
總而言之，考慮到實際施工過程的存在，高層建筑結構終態(tài)的內力和變形與理論設計會存在很大的差異，并且這種差異不容忽視。
如何更真實地反映結構在施工過程中以及施工結束后實際的力學性態(tài)，以保證高層建筑結構的安全以及施工過程中的安全與經濟，就需要建立根據結構的力學狀態(tài)和施工工藝建立相依的施工過程模擬模型，準確地計算模擬高層建筑施工過程中的內力和變形情況。
5 施工總體方案選擇
超高層建筑在施工前，應根據工程特點對施工技術的要點和難點進行分析。在此基礎上制訂相應的施工方案、施工技術路線。根據預定的施工方案，進行施工過程計算和施工模擬仿真分析。通過多個施工方案的模擬驗算比較，最終確定滿足施工過程安全、經濟合理、工期短的最優(yōu)或較優(yōu)的施工方案。
本工程東側的懸掛體系，既有懸挑桁架，又有吊柱和斜拉桿，結構復雜，且懸挑跨度大，最長有15m，因此構件內力受施工順序及荷載施加方式影響較大，為確保施工工期、施工精度以及施工完成后整體結構具有合理的力學性態(tài)，需要綜合考慮各種因素對結構施工的影響，按照施工方案對結構的施工過程進行模擬分析。
為了安裝東側懸掛鋼結構，需要在結構施工過程中搭設臨時支撐胎架，當主體結構施工到一定高度時，整體體系已經形成，此時支撐可以拆除，支撐卸載的過程就是結構內力轉換和重分配的過程，由于支撐在施工過程當中受力較大，要想在確保結構安全的前提下，對臨時支撐胎架進行卸載，并考慮工期，達到進行多個平面施工的目的，就必須對懸掛鋼結構制定合理的施工順序并采取合理的支撐拆除方案，確保荷載的平穩(wěn)傳遞和轉換。
懸掛鋼結構吊柱是整個結構重要的傳力構件之一，懸掛體系的受力特點是當斜吊柱在結構頂層與主框架柱連接后結構才是完整的體系，體系的受力模式才會與計算模型一致。施工過程當中結構體系還未形成，因此需充分考慮施工過程當中對懸掛體系的內力影響，制定合理的施工順序，確保施工過程當中懸掛體系的安全。
5.1 鋼結構施工方案
本節(jié)對懸掛體系鋼結構進行施工驗算，考慮到施工工期、施工精度以及結構施工過程中合理的力學性態(tài)，對整個結構擬用4種施工方案進行模擬安裝，并對4種施工方案進行比較，選出最優(yōu)的方案，使結構在建造過程中更加安全。
1)方案1 首先于6～7層桁架下部吊柱對應部位設置臨時支撐，然后安裝懸挑桁架層；懸挑桁架施工完成后，繼續(xù)安裝以上樓層斜拉桿及樓面鋼梁，鋼結構臨時支撐在結構安裝至35層，繼續(xù)對36～46層屋頂梁柱板施工，待結構封頂后進行卸載。卸載完成后方可澆筑樓板，隨后將鋼梁與斜拉桿做固接處理，最后進行幕墻施工及建筑裝修。
2)方案2首先于6～7層桁架下部吊柱對應部位設置臨時支撐，然后安裝懸挑桁架層；懸挑桁架施工完成后，繼續(xù)安裝以上樓層斜拉桿及樓面鋼梁，鋼結構臨時支撐在結構安裝至35層，完整受力體系形成后進行卸載。卸載完成后方可澆筑樓板，待結構封頂后將鋼梁與斜拉桿做固接處理，最后澆筑桁架上弦樓層及斜拉桿與柱相交處樓層混凝土。此方案調整了安裝順序1臨時支撐胎架卸載順序，并考慮了對懸掛結構進行多個施工面同時施工。
3)方案3 首先完成35層以下的鋼結構安裝，然后卸載臨時支撐。隨后連接斜吊柱與主框架柱的梁剛接焊接，使斜吊柱與整體結構形成整體受力體系。在此基礎上完成其他的施工工序。具體安裝順序如下：搭設臨時支撐→安裝6~7桁架層鋼結構→安裝8~ 23層鋼結構框架→安裝24~26層桁架層結構→安裝27~32層鋼結構框架（樓板施工加0.5 k N/m2，留后澆帶）→安裝33～35層桁架結構（樓板施工加0.5 k N/m2，留后澆帶，除上弦）→支撐卸載→主框架梁剛接焊接→7，26，35層樓板施工→36～46層屋頂梁柱板施工（含樓板加0.5kN/m2）→幕墻7 N17層施工→幕墻18~屋頂層施工→建筑裝修（地面、吊頂，設計荷載0.5 k N/m2）。
4)方案4首先安裝懸挑桁架、吊柱和斜拉桿，然后卸載支撐，使斜吊柱在結構頂層與主框架柱連接后結構才是完整的體系。隨后完成6～26層樓板澆筑及36~46層屋頂梁柱板施工并施工幕墻7~26層，以及幕墻27~屋頂層的施工。最后進行建筑裝修。具體安裝順序如下：搭設臨時支撐→安裝6～7桁架層鋼結構→安裝8~ 23層鋼結構框架→安裝24~ 26層桁架層結構→安裝27～32層鋼結構框架（樓板施工加0.5 k N/m2，留后澆帶）→安裝33~35層桁架結構（樓板施工加0.5 k N/m2，留后澆帶，除上弦）→支撐卸載→主框架梁剛接焊接→7，26，35樓層樓板施工→36~46層屋頂梁柱板施工（含樓板加0.5 k N/m2）→幕墻7~26層施工→27~屋頂層幕墻施工（按設計荷載）→建筑裝修（地面、吊頂，設計荷載0.5 k N/m2）。
5.2施工方案結果對比
圖2為在4種不同施工方案下支撐點最大反力對比曲線；圖3為4種不同施工方案下控制點最大位移對比曲線。對于方案1，最大位移發(fā)生在節(jié)點2593上，其位移值為35. 09 mm，最大反力發(fā)生在節(jié)點1694上，其反力值為2 390.14kN，最大應力比為0. 55。方案2中最大位移發(fā)生在節(jié)點2593上，其位移值為35. 10mm，最大反力發(fā)生在節(jié)點1694上，其反力值為2 056. 27kN，最大應力比為0.55。方案3中最大位移發(fā)生在節(jié)點2593上，其位移值為38. 97 mm，最大反力發(fā)生在節(jié)點1694上，其反力值為4 352. 17kN，最大應力比為0.6。方案4中最大位移發(fā)生在節(jié)點2593上，其位移值為39. 24mm，最大反力發(fā)生在節(jié)點1694上，其反力值為4 902. 13 k N，最大應力比為0.61。
分析表明本文所采用的方案2支撐反力最小，方案4支撐反力最大；方案4的工期最短，方案1的工期最長；方案1控制點位移最小，方案4最大。
通過對4種施工方案的對比分析，并且結合該工程的施工特點與難點，綜合考慮施工工期、安全、工程質量、經濟性，最終實際采用方案2進行施工。
5.3靜力分析
由于結構體型巨大，涉及到的單元和節(jié)點多，為了對結果進行簡化，在模型中提取結構特殊部位的21個節(jié)點來監(jiān)控結構的變形，其中恒荷載以及x方向風荷載的結構變形如圖4所示。
靜力分析包括恒荷載、活荷載、風荷載的計算分析。結構的變形和內力可以通過圖形查看的形式或者表格輸出的方式輸出，然后根據具體需要進行選擇整理。由于結構本身的偏心和大懸掛鋼結構，在豎向荷載作用下，懸挑部分的變形比較大，結構最大豎向位移達到45. 96mm；在風荷載作用下結構會產生部分扭轉變形。
5.4 -次性加載與施工模擬分析對比
根據擬定的施工方案對懸掛鋼結構的施工過程進行模擬計算，將整個施工過程分為12個施工階段進行模擬分析，施工步驟可參考施工方案。
對模型的位移控制點在施工荷載和自重作用下各階段位移變化進行分析，并將各個控制點位移同一次加載進行對比�？刂泣c選在臨時支撐與6～7層桁架支撐點等位置。
節(jié)點位移分析一次性加載是在整個建筑結構施工完成以后，將恒荷載、活荷載、風荷載等對結構一次性施加。一次性加載模型計算時只形成一次整體剛度矩陣。
按照所擬定的施工方案對固定屋蓋結構在安裝過程中的結掏安全進行施工模擬計算，將懸掛鋼結構施工分為12個階段進行模擬分析，施工步驟詳見施工方案，計算結構在每個施工階段的結構變形及受力。如圖5，6所示。
由以上數據對比可知：①最大位移發(fā)生在節(jié)點2593處，其位移值33. 8mm。出現(xiàn)在第12個施工階段，也就是最后一步施工完成時。并且綜合分析各個位移控制點的豎向位移變化趨勢可知，隨著結構逐步施工成型，控制點位移呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，在成型時達到最大值。②一次性施工加載分析方法與階段施工分析方法位移計算值存在差別。由于計算機模擬分析都是基于理論情況下進行考慮，所以這種差別不是特別明顯。但是隨著實際施工過程中可能發(fā)生的各種不可預測的因素，這種差別會更大。
6 結語
仁恒濱海中心（A標段）項目懸掛鋼結構造型別出心裁，富有藝術表現(xiàn)力，結構體系復雜，傳力方式特殊，施工難度較大。施工過程中結構體系還未形成，因此需充分考慮施工過程中對懸掛體系的內力影響，制定合理的施工順序，確保施工過程中懸掛體系的安全。為此對懸掛鋼結構施工過程制定了4種不同的施工方案，考慮施工工期、施工精度以及結構施工過程中合理的力學性態(tài)，對4種方案進行了對比，最終確定了實際的施工方案。對結構進行了一次性加載的靜力學分析，同時與按照施工模擬的分析方法結果進行了對比，得出如下結論。
1)針對仁恒濱海中心A標段懸掛鋼結構的結構特點，結合工程實際對結構的施工全過程進行了施工模擬分析。通過模擬實際施工進程，考慮各種施工階段影響，制定了4種施工順序進行了比較。分析表明本文所采用的方案2支撐反力最小，方案4支撐反力最大；方案4的工期最短，方案1的工期最長；方案1控制點位移最小，方案4最大。
2)通過對4種施工方案的對比分析，并且結合該工程的施工特點與難點，綜合考慮施工工期、安全、經濟性及各工種之間的協(xié)調性，最終實際采用方案2進行施工。
3)鋼結構施工過程的非線性分析能很好地反映實際的結構安裝工作狀態(tài)，對于大跨度鋼結構構件預起拱的控制具有重要的參考價值。
4)通過靜力分析得到懸掛鋼結構特殊部位的部分節(jié)點在不同工況下的變形，為實際工程提供了參考。
5)考慮施工過程的結構內力大于一次性加載分析結果，其偏大的幅度在10%~40%，在結構設計階段適當考慮施工過程的影響因素是必要的。
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