中廣核大廈結構設計和施工中的關鍵技術研究

韓 杰 趙 超 黃 浩

（1.廣東大亞灣核電服務集團有限公司，深圳518000；2.同濟大學建筑工程系，上海200092；3.重慶大學土木工程學院，重慶4041002）

中廣核大廈結構設計和施工中的關鍵技術研究

韓 杰1，*趙 超2黃 浩3

（1.廣東大亞灣核電服務集團有限公司，深圳518000；2.同濟大學建筑工程系，上海200092；3.重慶大學土木工程學院，重慶4041002）

中廣核大廈項目由南北兩棟獨立的塔樓組成，均為復雜超限高層建筑，其中北樓自10層到屋頂層為懸挑鋼結構，采用大懸臂轉換鋼桁架結構體系。本項目結構體系新穎，在結構設計及施工過程中存在三大關鍵技術難題：風荷載及結構風振，懸挑鋼結構的安全性以及懸挑鋼結構與混凝土主體結構連接節點的傳力可靠性。針對該重要、特殊、復雜的結構體系，按設計使用年限50年進行了結構設計，進行了基于性能的抗震設計、結構振動與舒適度分析；對北樓懸挑鋼結構的施工過程進行了模擬分析，對懸挑鋼結構受力狀態進行了全程監控；同時對懸挑鋼結構與主塔樓連接節點進行了有限元分析、實測以及風洞測壓試驗。通過合理的結構選型、精心的設計、充分的理論分析及試驗研究，有效地保證了該超限結構的安全性，為同類工程的實施提供了重要借鑒。

風洞試驗，懸挑鋼結構，節點，有限元分析，卸載，監測

1 項目概況

中廣核大夏項目用地面積約10 135.29 m2，總建筑面積158 830 m2。由南、北兩棟獨立的塔樓組成，其中南樓39層，建筑高度176.95 m，頂部設有直升機停坪；北樓24層，建筑高度107.85 m，10層到屋頂層設有大懸挑鋼結構。3層地下室滿鋪連通，設南北兩個車道出入口，外墻采用深灰色金屬鋁板幕墻和變化豐富窗墻體系。建筑外觀新穎、獨特，具有較強的視覺沖擊力，見圖1。本項目南、北獨立的兩棟塔樓均為復雜超限高層建筑。兩塔樓均采用框架—核心筒結構形式，其中南樓為B級高度高層建筑，存在扭轉不規則，局部樓板不連續；北樓扭轉不規則，豎向抗側力構件不連續，且連續多層大懸挑，懸挑長度達到16.5 m。

圖1 項目效果圖Fig.1 Impression draw of the project

本項目結構體系新穎，在結構設計及施工過程中需要解決三大關鍵技術問題：風荷載及結構風振，懸挑鋼結構的施工安全性以及懸挑鋼結構與混凝土主體結構連接節點的傳力可靠性［1］。在結構設計初和施工過程中，中廣核大廈項目部組織相關單位完成了系列的試驗研究及理論分析工作：進行了風洞測壓試驗及結構振動與舒適度分析；對北樓懸挑鋼結構的施工過程進行了模擬分析；對懸挑鋼結構受力狀態進行了全程監控；對懸挑鋼結構與主塔樓連接節點進行了有限元分析及受力狀況進行實測。同時，本工程懸挑鋼結構的設計部分構件采用高性能Q345GJ-B鋼材，現場監測時對采用Q345GJ-B鋼材的部分大跨鋼梁的現場載荷性能及節點連接區性能進行了實測，了解了Q345GJ-B鋼材在本工程中的適用性，積累了GJ鋼構件的現場試驗數據。通過上述專項研究工作，解決了關鍵技術難題，有效地保障了本項目在施工及使用過程中的安全性。現將項目實施過程中采取的關鍵技術措施進行總結，為類似的項目實施過程提供參考。

2 結構體系及特點

2.1 南樓結構體系

南樓主塔樓采用現澆鋼骨混凝土柱—混凝土框架梁—核心筒結構體系，裙樓結構采用鋼框架結構體系，與塔樓通過鋼梁鉸接。結構豎向力由現澆外框架和鋼筋混凝土筒體共同承擔，外框柱密集布置，且多數通過混凝土梁與核心筒剛接，形成良好的框架與核心筒協同工作效果，共同抵抗由于風荷載及地震作用產生的水平剪力以及傾覆彎矩。

2.2 北樓結構體系

北樓主塔樓采用鋼筋混凝土框架—核心筒體系，10層—屋頂層懸挑部分采用鋼結構體系，與主塔樓剛性連接。結構水平力由外框架和鋼筋混凝土墻體共同承擔，共同承擔由于風荷載及地震作用產生的水平剪力以及傾覆彎矩。

北樓1-8軸～1-10軸10至25層為懸挑鋼結構（圖2），從10層開始懸挑，懸挑長度17m，平面尺寸16.5 m×30.6 m，其中10～18層為大懸臂轉換鋼桁架結構體系，18層至頂層為箱型鋼柱和H型鋼梁組成的鋼框架結構體系，最大截面箱型鋼柱600×600×20×20 mm，H型鋼梁HW600× 300×20×20 mm。其中，鋼骨混凝土主體結構與懸挑鋼結構之間的連接節點區域受力大（見圖2中節點1、節點2），設計及施工時需要重點保障該類節點區域的安全。

圖2 北樓立面示意圖Fig.2 Vertical view of north tower

3 專項研究

本工程結構形式新穎特殊，為了保證結構安全，開展了若干專項研究工作。通過完成系統的理論分析及試驗研究工作，解決了該建筑抗風安全性、懸挑鋼結構與主塔樓結構連接節點受力性能、懸挑鋼結構胎架支撐卸載施工幾大關鍵技術難題，有效地保障了該工程在施工及使用中的安全性［3］。下面分別就本項目中開展的專題研究工作進行介紹。

3.1 風洞試驗

由于該工程項目處在臺風多發的沿海地區，且兩相鄰塔樓可能產生較大的相互干擾作用，風效應比較復雜，為了確保兩棟塔樓在建成使用階段的抗風安全性，對兩塔樓在強風作用下的圍護結構的風壓分布以及在設計風速下，該樓的風荷載、結構頂部加速度響應進行詳細的風洞試驗研究，并根據風洞試驗的結果，對該樓的抗風安全性以及在設計風速范圍內，結構三維風振特性和該樓辦公人員的舒適性進行了風洞試驗研究，見圖3。通過本項目風洞動態測壓試驗結果及分析得出結論［2］：

（1）由本項目墻體外表面測點的壓力系數結果可以看出，氣流在外墻面的棱角處出現明顯的分離，且在分離區出現較大的負壓，特別是在兩棟樓之間容易出現風速的加速作用，其負風壓（系數）的絕對值較大。

（2）受到周邊建筑的影響出現明顯的建筑群體效應，特別是南北兩棟樓之間的外墻風壓力（吸力）。

（3）總體來說，沿高度方向，較大風壓出現在大樓約1／2以上高度處，并且在主體結構的四個周邊拐角區域及受內外壓影響的頂部，其風荷載較大。

（4）從分析結果看，南塔樓測點正體型系數基本維持在0.7～0.9之間，對于頂部的內外受風墻面其正體型系數達到1.32；測點負體型系數大概在－0.6～1.0之間，但對于底部測點其負體型系數相對較大，達到－2.20。北塔樓測點正體型系數在0.6～0.9之間，對于頂部內外受風的墻面其正體系系數較大，達到1.43；測點負體型系數在－0.6～0.9之間，但對于底部測點其負體型系數較大，達到－2.39。

（5）試驗結果表明，由于南北塔樓相對距離較小，之間形成“峽谷”帶，氣流在此位置加速，使得南、北塔樓的此側面及相鄰的拐角出現明顯的氣流分離，而產生較大的負風壓，特別是對南塔樓的北面墻面影響較大，北塔樓南側面影響相對小些。受到周邊建筑（高度與北塔樓較為接近）的影響，北塔樓的北側面出現較大的負風壓。

圖3 風洞試驗Fig.3 Wind tunnel test

3.2 結構振動與舒適度分析

按照《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2002）中4.6.6的規定，高度超過150 m的高層建筑結構應具有良好的使用條件，滿足舒適度要求，按現行國家標準《建筑結構荷載規范》（GB 50009）規定的10年一遇的風荷載取值計算的順風向與橫風向結構頂點最大加速度不應超過表1的限值。基于10年一遇風荷載取值和風洞試驗數據計算的結構頂部峰值加速度，南塔結構頂部X向最大加速度為0.080 m／s2，Y向為0.098 m／s2，最大合成加速度為0.125 m／s2（發生在180°風向角）；北塔結構頂部X向最大加速度為0.083 m／s2，Y向為0.098 m／s2，最大合成加速度為0.129 m／s2（發生在165°風向角）；均滿足規范要求。

表1 結構頂點峰值加速度限值（10年重現期）Table 1 Peak acceleration lim its on structure top（return period of 10 years）

3.3 北樓懸挑鋼結構施工模擬分析及施工監控

北樓懸挑鋼結構安裝時，在懸挑結構豎向鋼柱下方布置臨時支承胎架，胎架之間根據布置形式通過水平連系桁架進行連接，共同組成一個主體結構的臨時支承體系，作為整個懸挑鋼結構高空安裝的主要受力支點。懸挑鋼結構安裝、焊接完畢形成結構體系后再拆除胎架，即為卸載。卸載過程中，結構體系進行了一次轉換，由胎架受力轉換為鋼結構懸挑受力，結構體系轉換過程中，結構經歷應力突變，為懸挑鋼結構施工的關鍵控制環節［3］。卸載完成后，再進行后續施工，澆筑各層樓板及安裝幕墻，完成主體結構施工工作。

為了了解懸挑鋼結構及胎架在施工過程中的受力狀態，基于MIDAS／GEN平臺進行了施工階段模擬分析［4-7］。根據施工過程的階段性在施工模擬時劃分為7個模擬狀態，施工模擬工況見表2。

表2 施工模擬工況Table 2 Construction simulation steps

模擬分析結果表明：結構體系在施工過程中，應力和變形變化平穩，結構的應力水平保持在合理的水平，胎架及懸挑鋼結構均有較高的安全儲備。胎架最大應力87.2 N／mm2，最大壓縮變形為9.7 mm，在第4施工步出現，即鋼結構全部安裝完畢時；懸挑鋼結構部分最大應力為62.3 N／mm2，在第7施工步出現，即全部恒載施加完畢以后，此時的最大變形為33.7 mm；懸挑鋼結構在卸載施工時，卸載位移為12.5 mm（第5施工步與第4施工步的位移差值），分析結果見表3。

表3 施工模擬結果Table 3 Construction simulation results

施工過程中，對懸挑鋼結構及胎架布置了148個應變監測點，進行了分階段的現場實測，現場監測見圖4。懸挑鋼結構施工過程的有限元仿真模擬分析結果及現場實測數據表明：

（1）卸載前后，結構各關鍵部位的應變增量與理論分析值吻合較好，表明結構體系轉換得到了有效的完成，結構實際受力狀態與設計意圖相符；

圖4 懸挑結構應變測點Fig.4 Stain monitoring points

（2）卸載完成后，溫度作用使結構產生了較小的變形，表現為測點應變實測值有所變化，但是幅度較小，總體來看，該結構對溫度變化不敏感；

（3）結構的實際卸載位移量與監測前分析值有一定的差異，主要是由于焊接變形及胎架偶然變形引起的，通過應變監測數據可以判斷結構處于正常的受力狀態，該差異不會對結構的安全性造成影響。

該項目北樓懸挑鋼結構形式領先、懸挑長度大、重量大，施工過程中采用分階段施工仿真模擬的方法科學合理地制定了卸載施工方案，現場施工監測可靠有效地保證了施工過程的順利進行，采用該方法亦對卸載過程中出現的異常情況進行了準確的分析判斷。證明了采用施工仿真模擬—現場實測—施工后補充分析的方法具有科學合理性及有效性，可以應用到類似的大型鋼結構施工監測中［6-10］。

3.4 北樓懸挑鋼結構與主塔樓連接節點分析及實測

在胎架卸載施工過程中經歷荷載突變，受力狀態復雜，是整個懸挑部分與主體結構傳力的重要環節，為了掌握該節點區域的受力性能，確保施工及使用過程中的結構安全，采用SAP2000程序建立了該類節點區域的三維有限元模型，進行了各施工控制工況的節點受力性能模擬分析［11-13］，了解了各控制工況下，節點區域的應力分布規律。節點位置見圖2，表4為節點一最大應力點的計算結果，表5為節點二最大應力點的計算結果。表中數據顯示：在施工過程各個階段，懸挑鋼結構保持較低的應力水平。結構在卸載時的最大應力為23.7 MPa；在樓板澆筑完畢時，最大應力為77.8 MPa；在幕墻完成時，最大應力為82.8 MPa，應力較小，具有較高的安全裕度。在懸挑鋼結構胎架卸載施工階段對節點區域的實際應力變化進行了現場實測，實測時，在懸挑鋼結構根部節點區域布置了80只振弦式應變計，實時觀測節點區域的應變發展（圖5）。

表4 節點區域一模擬結果匯總Table 4 Simulation results of joint one

表5 節點區域二模擬結果匯總Table 5 Simulation results of joint two

圖5 節點應變測點Fig.5 Stain monitoring points of joints

實測得到的節點一區域最大應變為407με，大于理論分析值366με約11%；節點二區域最大應變最大應變為310με，大于理論分析值265με約12%。實測值與理論分析值應力變化趨勢一致，變化幅度接近，整體吻合較好。現場實測值直接說明了節點區域處于較低的應力水平，具有較高的安全度。本工程北樓懸挑鋼結構與主體結構轉換節點區域的有限元模擬分析結果及現場實測結果表明：

（1）在施工過程各個階段，該懸挑鋼結構及其轉換節點區域均保持較低的應力水平，具有較高的結構安全度。

（2）懸挑鋼結構與主體結構連接的節點區域傳力效果明確，懸挑鋼結構的桁架效應明顯，整體結構受力狀態與設計意圖吻合。通過采用理論分析結合實測數據的手段，有效地驗證了該類節點的安全性及設計合理性。

4 結 論

本工程雖然結構受力復雜，但形式新穎，建筑效果獨特，其創新的結構體系及其在項目實施過程中采用的技術保障手段對同類結構的設計及施工具有重要的參考價值和借鑒意義：

（1）主塔樓采用鋼骨混凝土柱—混凝土框架梁—核心筒結構體系，懸挑部分及裙樓部分采用鋼結構體系，合理地利用了各類結構的優勢；懸挑部分采用桁架受力體系，較好地實現了限額設計，有效地做到了經濟性與結構性能的雙贏。

（2）對于體系復雜的超高層建筑，有必要通過風洞試驗等補充手段考察其抗風安全性，特別是對處于城市中心地區的該類建筑，應高度重視建筑群體效應的影響。

（3）本工程結構形式特殊新穎，存在一些超越現行規范的技術問題，通過充分的理論分析、試驗研究、施工配合以及結構健康監控，有效地保證了設計意圖的完美實現，同時亦通過這些技術手段證明了所采用的設計方法和新技術是合理可行的。

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Key Techniques for Structural Design and Construction of a Super High-rise Building Project

HAN Jie1，*ZHAO Chao2HUANG Hao3
（1.Guangdong Dayawan Nuclear Power Group Co.Ltd.，Shenzhen 518000，China；2.Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；3.College of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 404100，China）

This project is composed of two independent towers：the north tower and the south tower.The north tower has a large span steel truss structure from its10th story to its25th story.The novel and complicated structure system brings a lot of challenges to structural design and construction，which includes wind load induced structural vibration，the safety of the cantilever steel structure，and the reliability of the joint that connects the steel structure and the concrete structure.In order to solve these problems，analyses and research have been conducted.This paper introduces these studies，including performance based seismic design，vibration analyses，construction process simulation，structuralmonitoring of the cantilever steel structure，FEA and monitoring of the joint zone，and wind tunnel tests.

wind tunnel test，cantilever steel structure，joint，FEA，unloading，monitoring

2013－05－29

中央高校基本科研業務費資助項目（CDJZR12200023）；國家自然科學基金（51078368）*聯系作者，Email：yingjiecy＠126.com