中投證券大廈施工模擬分析

孟憲亮， 廖理安， 李常虹

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610042)

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中投證券大廈施工模擬分析

孟憲亮， 廖理安， 李常虹

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610042)

【摘要】深圳中投證券大廈大屋面高度137 m，建筑總高度149 m。采用矩形鋼管混凝土柱+鋼梁+雙鋼筋混凝土筒+高位轉(zhuǎn)換(懸掛)桁架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)平面中部28 m跨的樓蓋在建筑低區(qū)、高區(qū)均采用鋼吊柱懸掛在鋼桁架上。施工過程中設(shè)置臨時支撐柱，選擇適當(dāng)?shù)臅r機(jī)拆除臨時支撐柱形成懸掛結(jié)構(gòu)。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全過程的施工模擬分析，對比了一次性加載與考慮施工模擬、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形的差別。選取最不利的施工階段，對結(jié)構(gòu)的變形和構(gòu)件的應(yīng)力水平進(jìn)行了最不利施工階段驗(yàn)算，為結(jié)構(gòu)的后續(xù)分析提供了初始剛度(施工模擬分析的最終剛度)。

【關(guān)鍵詞】施工模擬；一次性加載；臨時支撐；最不利施工階段；轉(zhuǎn)換桁架；懸掛

1工程概況

中投證券大廈項(xiàng)目地塊位于深圳市南山區(qū)后海中心區(qū)，地上為一棟29層的辦公樓，地下為兼做車庫、設(shè)備用房和人防工程的5層地下室。塔樓下部設(shè)三層與塔樓連為一體的裙房，裙房平面呈矩形，裙房屋面建筑標(biāo)高18.2 m。采用矩形鋼管混凝土柱+鋼梁+雙鋼筋混凝土筒+高位轉(zhuǎn)換(懸掛)桁架結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)在計算層的14～16層設(shè)置兩層通高的轉(zhuǎn)換桁架，在計算層的29～屋面層設(shè)置一層高的轉(zhuǎn)換桁架，在轉(zhuǎn)換桁架下弦節(jié)點(diǎn)設(shè)置鋼吊柱懸掛下部鋼梁，將下部鋼梁的跨度由28 m減小到12 m。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)模型及結(jié)構(gòu)模型立面圖分別見圖1、圖2。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)模型

圖2　結(jié)構(gòu)模型立面

2中投證券大廈主樓結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)

中投證券大廈主樓結(jié)構(gòu)平面中部28 m跨的樓蓋在建筑低區(qū)、高區(qū)均采用鋼吊柱懸掛在鋼桁架上。施工過程中設(shè)置臨時支撐柱，選擇適當(dāng)?shù)臅r機(jī)拆除臨時支撐柱形成懸掛結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)體系決定了其施工過程中結(jié)構(gòu)的狀態(tài)與最終結(jié)構(gòu)狀態(tài)明顯不同，如果參照一般的一次性加載分析方法(將所有荷載一次性施加在成形的最終結(jié)構(gòu)上)，具有較大的分析誤差，只有考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度在不斷變化的施工模擬分析方法所得到的結(jié)果才能反映實(shí)際情況。

3施工階段劃分與考慮的荷載情況

根據(jù)工程的實(shí)際情況，本著安全適用、方便施工的原則，與施工單位協(xié)商，經(jīng)過各施工方案對比后最終將本工程分為25個施工階段，詳細(xì)的施工階段劃分見表1。施工過程中考慮1.0 kN/m2的施工階段活荷載。表格中Postcs表示結(jié)構(gòu)最終的使用狀態(tài)。主要施工階段的模型示意見圖3～圖10，圖名所示的施工階段與表1中的施工階段相對應(yīng)。

表1中考慮的荷載情況說明如下：

DC：施工階段恒荷載，主要為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重；

LC：施工階段活荷載，考慮1.0kN/m2；

DL：使用階段恒荷載，包括樓板附加恒荷載、隔墻荷載等；

LL：使用階段活荷載，按現(xiàn)行荷載規(guī)范取值。

圖3　階段1

圖4　階段2

4施工模擬分析與一次性加載結(jié)果的比較

選取工況(D+0.5L)下的內(nèi)力進(jìn)行對比。圖11、圖12所示為14～16層轉(zhuǎn)換桁架一次性加載與施工模擬內(nèi)力對比，圖13、圖14所示為5～7層被懸掛層一次性加載與施工模擬內(nèi)力對比。一次性加載上弦桿最大軸力-803kN，最大彎矩-875kN·m。施工模擬上弦桿最大軸力-1 021kN，最大彎矩-915kN·m。一次性加載下弦桿最大軸力1 763kN，最大彎矩-1 215kN·m。施工模擬下弦桿最大軸力2 239kN，最大彎矩-1 341kN·m。施工模擬分析的桁架弦桿軸力和彎矩均大于一次性加載結(jié)果。上弦桿軸力誤差27.1%，彎矩誤差4.5%；下弦桿軸力誤差27%，彎矩誤差10%。

表1　施工階段劃分

圖5　階段8

圖6　階段9

選取工況(1.0D+1.0L)下的位移進(jìn)行對比，圖15、圖16所示為14～16層轉(zhuǎn)換桁架一次性加載與施工模擬位移對比，圖17、圖18所示為5～7層被懸掛層一次性加載與施工模擬位移對比。一次性加載5層梁最大豎向位移50mm，施工模擬5層梁最大豎向位移54mm。一次性加載14～16層桁架上弦桿最大豎向位移26mm，施工模擬上弦桿最大豎向位移24mm。5層梁位移誤差8%，14～16層轉(zhuǎn)換桁架上弦桿位移誤差8.3%。

圖7　階段10

圖8　階段16

圖9　階段17

圖10　階段25

圖11　14～16層轉(zhuǎn)換桁架軸力(一次性加載)

圖12　14～16層轉(zhuǎn)換桁架軸力(施工模擬)

圖13　5～7層被懸掛層軸力(一次性加載)

圖14　5～7層被懸掛層軸力(施工模擬)

圖15　14～16層轉(zhuǎn)換桁架變形(一次性加載)

圖16　14～16層轉(zhuǎn)換桁架變形(施工模擬)

圖17　5～7層被懸掛層變形(一次性加載)

圖18　5～7層被懸掛層變形(施工模擬)

5最不利施工階段驗(yàn)算

施工階段8，即拆除第5層臨時支撐柱之前的施工階段為最不利施工階段。階段16，即拆除第17～19層臨時支撐柱之前的施工階段為最不利施工階段。最不利施工階段驗(yàn)算時，考慮LC=1.0kN/m2的施工階段活荷載。選取其中一個施工階段作為最后施工階段，采用其施工模擬分析后的效應(yīng)與風(fēng)荷載效應(yīng)進(jìn)行組合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的驗(yàn)算。最不利施工階段的模型立面見圖19所示，以黑色框內(nèi)構(gòu)件的應(yīng)力比和變形為重點(diǎn)關(guān)注對象。采用1.0D+1.0L工況，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在豎向荷載下的整體變形。

最不利施工階段8臨時支撐柱下桁架桿件最大應(yīng)力比為0.35，最不利施工階段16臨時支撐柱下桁架桿件最大應(yīng)力比為0.57(圖20)，均小于1。最不利施工階段8臨時支撐柱下桁架最大變形7mm，最不利施工階段16臨時支撐柱下桁架最大變形15mm(圖21)，變形滿足規(guī)范要求，均在可控范圍內(nèi)。

圖19　最不利施工階段模型立面

圖20　最不利施工階段16臨時支撐柱及柱下桁架應(yīng)力比

圖21　最不利施工階段16臨時支撐柱及柱下桁架變形

6施工過程主要構(gòu)件內(nèi)力追蹤結(jié)果

跟蹤吊柱的軸力和桁架弦桿的左支座軸力。對于吊柱，可分為低區(qū)吊柱和高區(qū)吊柱，如圖22所示吊柱1～吊柱6，為承擔(dān)荷載最大的吊柱；對于弦桿，分別選取14～16層桁架的下弦桿(弦桿1)和29～屋面層桁架的下弦桿(弦桿2)。對上述構(gòu)件，跟蹤整個施工過程中桿件的內(nèi)力，分析判斷主要構(gòu)件的內(nèi)力變化規(guī)律。

圖22　施工過程中內(nèi)力跟蹤構(gòu)件位置示意

圖23　低區(qū)吊柱施工階段軸力變化

圖24　高區(qū)吊柱施工階段軸力變化

從圖23～圖24可知，吊柱軸力在施工過程中產(chǎn)生了明顯的變號現(xiàn)象，即在施工過程中先受壓后受拉，壓力峰值發(fā)生在臨時支撐柱拆除前的施工階段，低區(qū)吊柱壓力峰值出現(xiàn)

圖25　弦桿施工階段軸力變化

在階段7，高區(qū)吊柱壓力峰值出現(xiàn)在階段16，拉力峰值產(chǎn)生在最終的施工階段。從圖25可知，弦桿1及弦桿2的軸力在臨時支撐柱拆除階段即階段17產(chǎn)生了突變現(xiàn)象。表現(xiàn)為弦桿1軸力突然變小，變化幅度為420kN；弦桿2軸力突然變大，變化幅度為433kN。這是由于對于弦桿1來說臨時支撐柱的拆除表現(xiàn)為突然卸載，對于弦桿2來說臨時支撐柱的拆除表現(xiàn)為突然加載。

7結(jié)論

(1)通過施工方案的對比分析，選取合理的施工順序，一方面能夠使施工更加方便快捷，另一方面通過施工模擬分析，能夠驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在施工過程中最不利施工階段的內(nèi)力和變形，使施工過程安全可控。

(2)施工模擬分析能夠跟蹤結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件在施工過程中的內(nèi)力和位移的變化，根據(jù)分析結(jié)果可以判斷重要施工階段構(gòu)件的內(nèi)力變化幅度(如突然卸載與加載)和內(nèi)力變化規(guī)律。

(3)通過施工模擬分析得到的結(jié)構(gòu)最終剛度可以為后續(xù)結(jié)構(gòu)分析(如小震分析、中震分析、大震動力彈塑性分析等)提供真實(shí)的初始剛度。

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【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【中圖分類號】TU721.1

[作者簡介]孟憲亮(1981～)，男，本科，工程師，四川省土木建筑學(xué)會會員，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

[定稿日期]2015-12-14