超高、超长建筑结构设计若干关键技术

时间:2014/06/29 | 作者: | 分类:建筑设计 | 浏览:306 ℃ | 发表评论

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

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。