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+高位轉換(懸掛)桁架結構體系，結構平面中部28 m跨的樓蓋在建筑低區、高區均采用鋼吊柱懸掛在鋼桁架上。施工過程中設置臨時支撐柱，選擇適當的時機拆除臨時支撐柱形成懸掛結構。對結構進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、結構的內力與變形的差別。選取最不利的施工階段，對結構的變形和構件的應力水平進行了最不利施工階段驗算，為結構的后續分析提供了初始剛度(施工模擬分析的最終剛度)。

【關鍵詞】施工模擬；一次性加載；臨時支撐；最不利施工階段；轉換桁架；懸掛

1工程概況

中投證券大廈項目地塊位于深圳市南山區后海中心區，地上為一棟29層的辦公樓，地下為兼做車庫、設備用房和人防工程的5層地下室。塔樓下部設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+高位轉換(懸掛)桁架結構體系。結構在計算層的14～16層設置兩層通高的轉換桁架，在計算層的29～屋面層設置一層高的轉換桁架，在轉換桁架下弦節點設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。標準層結構模型及結構模型立面圖分別見圖1、圖2。

圖1　標準層結構模型

圖2　結構模型立面

2中投證券大廈主樓結構施工特點

中投證券大廈主樓結構平面中部28 m跨的樓蓋在建筑低區、高區均采用鋼吊柱懸掛在鋼桁架上。施工過程中設置臨時支撐柱，選擇適當的時機拆除臨時支撐柱形成懸掛結構。這樣的結構體系決定了其施工過程中結構的狀態與最終結構狀態明顯不同，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構上)，具有較大的分析誤差，只有考慮實際結構剛度在不斷變化的施工模擬分析方法所得到的結果才能反映實際情況。

3施工階段劃分與考慮的荷載情況

根據工程的實際情況，本著安全適用、方便施工的原則，與施工單位協商，經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表示結構最終的使用狀態。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。

表1中考慮的荷載情況說明如下：

DC：施工階段恒荷載，主要為結構構件的自重；

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，按現行荷載規范取值。

圖3　階段1

圖4　階段2

4施工模擬分析與一次性加載結果的比較

選取工況(D+0.5L)下的內力進行對比。圖11、圖12所示為14～16層轉換桁架一次性加載與施工模擬內力對比，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)下的位移進行對比，圖15、圖16所示為14～16層轉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層轉換桁架軸力(一次性加載)

圖12　14～16層轉換桁架軸力(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層轉換桁架變形(一次性加載)

圖16　14～16層轉換桁架變形(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與風荷載效應進行組合，進行結構及構件的驗算。最不利施工階段的模型立面見圖19所示，以黑色框內構件的應力比和變形為重點關注對象。采用1.0D+1.0L工況，驗算結構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)，變形滿足規范要求，均在可控范圍內。

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施工過程主要構件內力追蹤結果

跟蹤吊柱的軸力和桁架弦桿的左支座軸力。對于吊柱，可分為低區吊柱和高區吊柱，如圖22所示吊柱1～吊柱6，為承擔荷載最大的吊柱；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)。對上述構件，跟蹤整個施工過程中桿件的內力，分析判斷主要構件的內力變化規律。

圖22　施工過程中內力跟蹤構件位置示意

圖23　低區吊柱施工階段軸力變化

圖24　高區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生了明顯的變號現象，即在施工過程中先受壓后受拉，壓力峰值發生在臨時支撐柱拆除前的施工階段，低區吊柱壓力峰值出現

圖25　弦桿施工階段軸力變化

在階段7，高區吊柱壓力峰值出現在階段16，拉力峰值產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產生了突變現象。表現為弦桿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為突然卸載，對于弦桿2來說臨時支撐柱的拆除表現為突然加載。

7結論

(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，能夠驗算結構在施工過程中最不利施工階段的內力和變形，使施工過程安全可控。

(2)施工模擬分析能夠跟蹤結構中重要構件在施工過程中的內力和位移的變化，根據分析結果可以判斷重要施工階段構件的內力變化幅度(如突然卸載與加載)和內力變化規律。

(3)通過施工模擬分析得到的結構最終剛度可以為后續結構分析(如小震分析、中震分析、大震動力彈塑性分析等)提供真實的初始剛度。

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【文獻標志碼】A

【中圖分類號】TU721.1

[作者簡介]孟憲亮(1981～)，男，本科，工程師，四川省土木建筑學會會員，從事結構設計工作。

[定稿日期]2015-12-14