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2018-08-07 10:54:51 | 分类:默认分类 | 标签:
我给大家介绍一下最近我们做的项目中我觉得一些比较关键的技术,主要讲三个内容: 

一是新高规即将颁布了,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。 

1 案例: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我们做了一些工作,下面我把结构构成的情况跟大家说一下。 

我们有内筒,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,所以我们把墙相对的集中、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。我们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,我们做的是不等的,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,我们算下来过了6秒,在天津地区位移限制就有一点困难,早晨魏总讲到位移和周期的关系,是有一定关系的,我们做了其他的工程,也是注意这个问题。 

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。 

我想讲一下在中钢这个项目中,我们觉得比较重要,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,就像早上讲的水立方,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,当我们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。在这种情况下我们就想到了一个措施,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。 

我们采取两条措施:第一条措施是跟角部斜柱相连的最后一道楼面水平梁,我们把它两端后接,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,我们在过渡区顶部的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,我们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。我们分析它的变形,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,我们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,我们要设计特殊的连接节点,这个钢梁我们是切断,所谓切断并不是施工阶段不装,还是装的,只是我们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。 

这是我们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,我们不是把钢板直接跟柱子接,而是在施工时伸出一个悬臂端,我们称之为“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,我们都是采用“零应力段”,大家将来在做工程时这一点要特别当心,我们做大跨度结构,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,因此我们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,同时我们结合楼面的后浇带,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,我们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,我们做了全过程结构的稳定性分析和承载力验算,同时我们考虑了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。 

2 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,刚才我在下面听他们讲的时候没吱声,现在塔楼的屋面高度是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。 

主体结构的体系基本上是杂交的结构体系,矩形框架加斜撑、核心筒、伸臂,带状桁架九道+带状桁架之间的斜撑,这是矩形框架的基本构成。 

第二个构成是斜撑在施工阶段要释放,否则斜撑就会吸收比较多的重力,因为这个点和这个点竖向在重力荷载下有变形的差异,虽然一部分着力会从柱子走,但也有一部分着力会走到斜撑里,我们希望斜撑的工作状态是重力下应力为零,水平递增,风底下受力,就像连梁一样,这样的结构是比较合理的,传力也比较清晰,结构是往好的方向走的。 

伸臂一共做了四道,等会儿我要讲到长期变形对伸臂的内力是有影响的,由于长期变形的发展,核心筒和矩柱的着力是在发生改变的,设计时要考虑到安全度。 

这是核心筒内部的布置,和中钢一样。这是核心筒和周边结构的关系,粉红色的是比较新的,也是KPF建筑师提出的,做了一个空间的V形撑,来解决角部重力的局部转移,同时实现一定的解决水平荷载下从覆板往地缘转移的过渡工作,它起到两个作用。

下面讲一下竖向变形长期分析:施工模拟还有重要的两点,我把它简称逐层找平和逐层找正,没有逐层找平、找正,谈不上后面的标高预留和构件长度预留。找平和找正是任何施工单位都必须做的,在施工过程中,结构在压缩,必须要找平和找正。 

同时考虑混凝土的收缩徐变,从刚开始施工开始,一个一个时间节点往下走,算到50年。这50年是这样的,施工进度是6天一层,即6天一个时间节点,设备及避难层是10天一层,即10天一个时间节点,然后还要考虑到巨柱滞后、楼板同步与滞后、结构安装,这张表就是我们计算整个结构长期变形的时间节点图。 

混凝土收缩徐变,我们用欧洲规范,中国规范目前在这方面不是很成熟,我们查了桥梁,它们计算也是用欧洲规范。同时考虑含钢率,含钢率在里面大概有20%~30%左右的影响。 

因为结构基本对称,重力荷载下对称性还可以,我们就考察核心筒的角点和矩柱,竖向累积变形50年以后最大的变形大概是20公分,其中各个楼层的竖向变形是不同的,底部楼层等于零,顶部由于我们逐层找平、逐层找正,施工阶段变形很小。中部很大,但是随着时间的推移,混凝土的徐变和收缩不断地进展,后期上部的变形会下来。这是我们截出来的主要变形图,从该图可以看到几条:一、使用1年基本上和使用20年、30年差别很小,基本上是80%以上,因此我们后面提到的层高预留和构件长度预留都是以一年为准,我们反算过这个方法,一年以后就是达到原设计标高。 

可以看到在前期、后期,徐变收缩和弹性变形所占的比例,核心筒的徐变收缩所占的比例会大,因为矩柱的含钢率是从6开始,到4,核心筒的含钢率大概是在2左右。它们的应力水平,我们控制基本是接近的,但因为含钢率的不同带来不同。正因为这样,矩柱的核心筒竖向是有变形差的,这个变形差各层、各年都不一样,部位也不一样,我们捕捉了最大的变形,发现对伸臂结构产生的附加应力最大可达14%。 

与此同时,底部矩柱的着力,由于它的含钢率高,会随着时间的推移有所增加,核心筒会有所减小,所以矩柱的设计要留有余地。在矩柱里面的型钢和混凝土,考虑了徐变收缩以后,型钢应力要增加,混凝土应力会退化,这些都需要复核。 

楼层标高施工预调:我们已经让施工逐层按设计标高走,但是整个结构在继续下沉,特别是在后期徐变收缩下,结构要继续下伸变形,我们根据刚才前面分析的内容,提出了“层高施工预调”的理念,现在图纸就按照这个出,每层给出一个层高预调量,同时伴随着层高预调,构件的长度要预留,否则层高预调调不出来,根据前面计算的结果,构件长度预留有一系列方法,层高不是均匀的,层高高的地方是6毫米,层高在4.5米左右的,大概是2~3毫米。 

提出这些的东西调整我们觉得是重要的,它是一种发展的趋势、变形的趋势,如果不管,因为有施工误差,它可以有正误差,也可以有负误差,这样我们就可以控制它的正误差,减小负误差。 

3 超长结构的温差收缩效应:

以深圳北站为例,深圳北站是深圳市的主要交通枢纽,其中有4、5、6号线地铁穿越,特别是上部有高位穿越的16号线,下面还有新区大道和几十条铁路线。关于超长方面,在大型体育场馆,包括杭州800米长的,都是不设缝(包括地下室),已建的山西500米、济南400米,已经建好了,都是不设缝,而且使用两三年,还没有发现裂缝。 

这是候车室,铁路部原来要求做大柱网,我们这个柱网是83×86,双向大柱网大厅很气派,下面的无柱站台采用新型的四边形环索弦支,改变现在的圆形环索弦支,环索受力是斜拉索受力的8~10倍,把环索的受力降到和斜拉一个水平,提高结构的安全性和有效性,已经申报了国家的专利。 

接下来着重讲一下计算要点: 

一是要全过程模拟。全过程模拟里面,结构生成要模拟生成过程中的温度变化模拟,举个例子,1月份生成的结构,终身处于升温阶段,不会受拉;8月份生成的结构,终身处于受拉,不会受压,因为永远要降温,我们讲的是温度,所以一个房子不管是在什么月份生成的,统一一个温差进去,内力全乱了,变形也全乱了,不符合实际情况,我们要根据实际结构的生成过程和温度来模拟。 

二是放弃固定端假定。我们现在的模型都把基础作为固定端,实际上所有的天然地基和桩基刚度都是有限的,我们做水平荷载实现、竖向承载力实现,有力就有变形,就是有刚度,而不是无限刚,当你把它简化成固定刚和不动铰,就把它刚度跨到无穷大,明显与实际不符,因为我们是以变形来求内力,因此这样的预缩刚度是一个很重要的理念,要把它引入,然后考虑混凝土的徐变,这就是温差收缩效应计算分析中的几个要点。 

当然,除了温差收缩效应以外,还有一条就是后浇带、后浇块的措施,以及后浇带、后浇块的施工模拟也非常重要,在此基础上,再进行比较仔细的分析,然后要采取措施。深圳火车站是400米左右的多层建筑,没有缝,算下来附加的应力、组合应力都能够满足设计需要,是经过铁道部专项认证的,现在楼已经盖好了,楼板也全部封了,没有裂缝。采用的措施,除了刚才说的后浇带措施以外,不管是后浇带还是楼板,相对低温热膜也是一个重要的措施,其他措施是没有采取的,现在800米的还没施工,500米的已施工很多,就是这些措施,没有裂缝,很幸运。 

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