超高、超長建筑結構設計若干關鍵技術

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 介紹一下項目中我覺得一些比較關鍵的技術，主要講三個內容：

     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際的重力荷載的工況和狀態(tài)，進入彈塑性分析。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。

     三是超長結構的溫度收縮效應分析與控制，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，主要特點是在下部1/2高度以下采用六邊形編制的窗洞構成外網筒結構，建筑師不允許里面再加柱子，針對六邊形外網筒結構一些工作，下面是結構構成的情況。

     有內筒，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，因為自重就很大了，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。

     內筒的構成跟國貿三期一樣，采用內層鋼板，但內層鋼板在設計上已經有預留在鋼板兩翼的混凝土連接的預留孔，預留孔里要放構造、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力，在主應力方向多配，應力小的部位少配。 整個結構的構成，上部是矩形鋼管的菱形網格，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，窗戶上沒有構件，下部是六邊形網格。             樓面環(huán)梁有兩種類型，主要是根據建筑的需要，類型1要往里退，玻璃窗才能裝。在六邊形網筒上做了兩件事情，第一件事情是角部斜柱，正六邊形應該都是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，這些都經過詳細論證。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弱化，六邊形橫梁相當于剪力墻的連梁，主要是傳遞水平力，不傳遞豎向力，因此給它適當?shù)厝趸?，有利于提高整體結構的延性，同時不改變結構的受力性能。

     鋼梁是內外筒鉸接，外筒和內筒承擔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)位移限制就有一點困難。 這是主要振型，可以看到結構的扭轉非常好，因為外筒的剛度大。

     這個項目中，比較重要，而且技術效果、經濟效果比較好的創(chuàng)新點，對于這樣一個六邊形的網筒，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。

    六邊形結構一個基本點就是必須鋼結構，就像水立方，在這樣的結構上也必須剛接，不剛接，這個結構下沉變形非常大，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移，當把角部斜柱的截面加大，轉移的就更多，這就是死循環(huán)，很難進行設計。在這種情況下能否采取施工措施，把50%以上的結構自重產生的應力不讓它轉移，來改善六邊形網筒結構關鍵部位構件的承載性能，因為它這部分受的力小了，應力降低了，就為這部分斜柱抵抗中震、大震、風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；第二條措施是因為上部如果不用措施，上部交叉網筒，因為一部分截面大于另一部分，剛度也是一大一小，力還是要角部轉移，在過渡區(qū)頂部的8根柱子采用后接，把交叉網筒上部40層的重力荷載變到中部去，這兩條施工措施有點類似伸臂覆桿后樁措施一樣。

     對應這個施工措施，必須要進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的施工階段的結構穩(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6公分左右，因為你切斷了，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裝兩點之間的位移差。根據這個位移差，根據它的豎向位移和水平位移，要設計特殊的連接節(jié)點，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變形，然后等到主體結構封頂再進行連接。

     這是進行的變形分析以后的節(jié)點的變形分析，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“零應力段”，因為一個結構已經生成了，在主結構上動會影響結構的安全，同時也會造成結構的內傷，都是采用“零應力段”，大家將來在做工程時這一點要特別當心，做大跨度結構，后做的東西必須要有“零應力段”來做后接措施。

     主體結構完了以后，這個地方采取貼板連接構成，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，因此就提出了進一步的控制技術，即中部結構在施工時給它一個預留高度和中部斜柱的預留構件長度，在施工圖時就把這個說清楚，等到以后上部結構上去，標高預留后，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，整個結構就滿足了使用要求，同時結合樓面的后澆帶，在斷的后接的鋼梁兩邊設了樓板的后澆帶，讓它變形相融，所以整體結構的變形與相融包括了樓板的相融、構件的相融。

     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，兩點之間有豎向位移差，根據豎向位移差，根據轉角變形的影響，進行拼接段的縫的設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力對比，不采取措施和采取措施，重力荷載項、角部傾柱的軸力自重，產生的軸力彎矩可以有40%左右的下降，這個40%左右的下降是指結構自重之下的，正因為它的下降，從而為結構的抗震、抗風提供了可能，為結構的良性設計提供可能。角部下降了，中部會有所增加，增加了好不好呢？好，結構受力更加均勻。

     施工階段的穩(wěn)定，按照這樣的施工過程，做了全過程結構的穩(wěn)定性分析和承載力驗算，同時考慮了10年一遇的風荷載，來進行施工階段結構的驗算，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，塔端高度調到660米，原來是648米。