懸掛式高層建筑施工中日照效應(yīng)分析與控制

壽建軍,方順生,田云雨,王錦全

(1.杭州圣建鋼結(jié)構(gòu)工程管理有限公司，浙江 杭州 311200; 2.浙江大地鋼構(gòu)有限公司，浙江 杭州 311200)

0 引言

懸掛式高層建筑是高層建筑和懸掛結(jié)構(gòu)的有機(jī)統(tǒng)一，使得在有限土地上實(shí)現(xiàn)更多使用面積的高層建筑，同時(shí)兼具大懸挑、大空間、高通透的懸掛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其形成的一種獨(dú)特建筑造型被越來越多的建筑師所喜愛。這種建筑一般采用核心筒或鋼管柱作為主要承重和抗側(cè)力構(gòu)件，并通過屋頂整層鋼桁架、桁架端部的高強(qiáng)度型鋼吊柱懸掛鋼梁、樓板這種結(jié)構(gòu)體系。

懸掛式高層結(jié)構(gòu)有“順作法”和“逆作法”兩種施工路徑，“順作法”采用的是通過設(shè)置臨時(shí)支撐自下而上的施工方法，樓層結(jié)構(gòu)和核心筒可以同步進(jìn)行，全部完成后卸載拆除支撐?！澳孀鞣ā笔呛诵耐彩紫仁┕ね瓿?，再施工頂部懸挑桁架，然后從上到下安裝樓層結(jié)構(gòu)[1]。“順作法”更多地使用在結(jié)構(gòu)高度不高，吊掛樓層有限的建筑中，當(dāng)樓層超過一定的高度以后，下部臨時(shí)支撐及下部基礎(chǔ)就會(huì)遇到很多困難，另外，當(dāng)上部樓層過多，臨時(shí)支撐的卸載也非常困難。

當(dāng)建筑超過一定高度的懸掛結(jié)構(gòu)，“逆作法”會(huì)是首選的施工方法，但是這種方法要求核心筒和桁架首先完成，然后進(jìn)行下掛結(jié)構(gòu)施工，周期比較長，在施工期間起保溫隔熱作用的幕墻還沒有安裝完畢，夏季施工日照會(huì)引起核心筒由于向陽面和背陽面的溫度差而發(fā)生變形，這個(gè)變形通過屋頂桁架大懸挑結(jié)構(gòu)的放大效應(yīng)，引起所有下掛點(diǎn)的更大變形，逐步施工的型鋼吊柱安裝會(huì)因此產(chǎn)生偏差，而這個(gè)偏差對(duì)承受巨大拉力的型鋼吊柱來說是致命的缺陷。本文結(jié)合上海金橋國培地塊研發(fā)項(xiàng)目懸掛結(jié)構(gòu)的施工方案，通過建立計(jì)算模型，結(jié)合上海地區(qū)夏季的日照溫差，對(duì)施工過程中日照影響進(jìn)行模擬分析，為日照效應(yīng)下型鋼吊柱的安裝精度控制提供理論依據(jù)和解決方案。

1 工程概況

上海金橋國培地塊研發(fā)項(xiàng)目，由新建A，B，C，D四幢塔樓組成(見圖1)，四幢塔樓由北向南一字排列，5層以上全部采用懸掛結(jié)構(gòu)，在4層裙房處由三個(gè)鋼連廊連接為一個(gè)整體，形成一個(gè)可以布置江南園林式合院研發(fā)空間景觀大平臺(tái)。A塔樓地上20層，建筑高度100 m。B，C，D三幢塔樓均為地上12層，建筑高度60 m，整個(gè)建筑群總用鋼量達(dá)28 000 t。

2 施工規(guī)劃

2.1 A塔樓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文研究的對(duì)象A塔樓，標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸約40 m×38 m；核心筒平面尺寸約為16.5 m×19.35 m。塔樓4層為無柱層，4層以下為裙房結(jié)構(gòu)，外框鋼梁內(nèi)側(cè)直接與核心筒相連接，外側(cè)懸掛鋼柱受力依次傳遞到塔樓頂部懸挑桁架上，最終仍由頂部桁架傳遞到核心筒結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)形成“倒(懸)掛式”受力體系(見圖2)。

2.2 A塔樓的施工路徑規(guī)劃

A塔樓的所有樓層梁除了與外側(cè)連接的吊柱外，內(nèi)部沒有任何其他立柱(見圖3)，屋頂桁架完成后，下部結(jié)構(gòu)施工沒有施工平臺(tái)會(huì)非常危險(xiǎn)，如果采用樓層整體提升的辦法，則需要增加內(nèi)側(cè)立柱形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而且提升到位后內(nèi)側(cè)樓層梁與核心筒的安裝間隙也無法處理，另外，施工成本及周期上都無法滿足要求。仔細(xì)研究本工程結(jié)構(gòu)，下部吊掛樓層外圈樓層梁和型鋼吊柱剛性連接，形成一個(gè)剛性外筒，這個(gè)外筒經(jīng)過一定的加固措施可以單獨(dú)提升，然后按照內(nèi)部樓層梁。外筒框架提升采用累積提升法，每安裝一節(jié)柱兩層梁提升一節(jié)柱的高度，然后鎖定提升器，再安裝下部的一節(jié)柱和梁，依次分八步提升完成，圖4為總共八步中的四步示意圖。

2.3 A塔樓型鋼吊柱的特點(diǎn)

塔樓標(biāo)準(zhǔn)層型鋼拉桿28根，截面從下至上依次變大，截面形式為寬翼緣的H型鋼，材質(zhì)為Q390GJ(部分Q550GJ)。

本工程型鋼吊柱的對(duì)接節(jié)點(diǎn)只在H型鋼的翼緣處設(shè)置高強(qiáng)螺栓連接，上下吊柱的腹板是脫開的(見圖5)，這樣的設(shè)計(jì)充分保證吊柱只承受拉力的特性。因?yàn)槌惺芫薮蟮睦Γ泄?jié)點(diǎn)的螺栓必須保證100%的穿孔率，同時(shí)還需保證吊柱的垂直度。因此，累積提升過程中，上一次提升完成后，與下部吊柱連接點(diǎn)的位置精度顯得非常關(guān)鍵，因?yàn)檫@個(gè)偏差以后無法消除，而且會(huì)產(chǎn)生累積誤差，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)完成后的受力有很大的影響。這個(gè)精度的影響因素眾多，而日照效應(yīng)帶來的變形恰恰是施工中無法避免的。

3 溫度效應(yīng)

由于受到太陽輻射以及外界溫度變化的影響，使得核心筒結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部各處溫度都處于不斷變化之中，溫度效應(yīng)分兩種：一為核心筒中面季節(jié)溫差；二為日照溫差。季節(jié)溫差為均勻溫差，日照溫差為瞬時(shí)溫差，對(duì)施工過程來說瞬時(shí)溫差引起的結(jié)構(gòu)變形對(duì)安裝精度的影響更大。

3.1 有限元計(jì)算模型

本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)超高層建筑在施工過程的溫度效應(yīng)進(jìn)行分析，桁架上下弦、桁架支撐、柱內(nèi)鋼骨、框架梁及柱用梁單元模擬，桁架水平支撐、提升框架臨時(shí)支撐用桿單元模擬，提升索用只拉桿單元模擬，用墻單元模擬剪力墻，見圖6。

3.2 日照溫差

高層建筑結(jié)構(gòu)日照溫差效應(yīng)分析的溫度場主要是由氣象條件決定的，而氣象條件具有很強(qiáng)的地域性和季節(jié)性，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)日照溫差效應(yīng)，目前國內(nèi)在研究和實(shí)踐中都積累了不少經(jīng)驗(yàn)，但尚未形成統(tǒng)一的做法。本文根據(jù)上海地區(qū)及實(shí)際施工情況作相應(yīng)參數(shù)取值計(jì)算受太陽輻射的正曬面結(jié)構(gòu)外表面溫度t1[2]。

其中，tz為室外折算綜合溫度;ξ為結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽輻射熱的吸收系數(shù);Jmax為太陽輻射強(qiáng)度峰值;Jp為太陽輻射強(qiáng)度晝夜平均值;δ為構(gòu)件厚度;aw為結(jié)構(gòu)外表面熱轉(zhuǎn)移系數(shù)，與夏季室外風(fēng)速有關(guān);θt,w為出現(xiàn)太陽輻射等效溫度峰值時(shí)刻的室外氣溫波動(dòng)值；tw，max為室外氣溫最大值;tw,p為室外氣溫晝夜平均值，與地區(qū)所處位置有關(guān);k為修正系數(shù)。上海地區(qū)，在夏季施工各系數(shù)取值如表1所示[3]。

表1 各系數(shù)取值

由此可得結(jié)構(gòu)正曬面溫度:t1= 61.48 ℃。夏季日照溫差引起向陽面構(gòu)件溫度升高 61.48 ℃-40 ℃= 21.48 ℃。內(nèi)外構(gòu)件的溫差平均為(21.48+0)/2=10.7 ℃，考慮到本工程的核心筒混凝土厚度達(dá)到900 mm～1 000 mm，外表面的溫度相比鋼結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)熱量效率要低，因此核心筒正陽面和背陽面的溫度差按10 ℃計(jì)取，外框梁、柱以及提升索按20 ℃計(jì)取[4]。

3.3 日照效應(yīng)分析

當(dāng)核心筒混凝土養(yǎng)護(hù)完畢，屋頂桁架通過部分原位散裝，懸挑部分整體提升完成后，考慮太陽照射角及相互遮擋情況，裙樓以下部分核心筒日照影響不大，4層 以上核心筒及屋頂桁架全部暴露在太陽照射下，隨著外框的提升，已提升梁與拉桿對(duì)核心筒會(huì)有一定的遮擋，但是這個(gè)遮擋影響小到可以忽略，屋頂桁架受到的是均勻的日照，所以不考慮日照溫差影響。由于項(xiàng)目的特殊性，分陽光正面照射和45 ℃角照射兩種工況進(jìn)行分析，如圖7所示[5]。

3.3.1 正面日照影響

正面陽光照射下引起核心筒從正陽面向背陽面方向彎曲，屋頂桁架跟著發(fā)生傾斜，固定在桁架下弦的外框提升索會(huì)跟隨發(fā)生偏移，這個(gè)偏移疊加提升索及外框的日照效應(yīng)，會(huì)使得已提升框架柱的發(fā)生位置及垂直度的偏差?？疾烀看翁嵘瓿珊?，最下部28個(gè)吊柱與下層吊柱連接處的位移，可以反映已提升部分吊柱的偏差量。圖8為每個(gè)提升過程中28個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的布置。

圖9為正面日照下關(guān)鍵點(diǎn)8個(gè)施工步的三向位移曲線綜合，陽光沿Y軸正面照射，所有28個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)沿X向位移在±5 mm之間變化，而且整個(gè)提升過程中同一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)X向位移基本沒有變化。Y向位移圖從3.5 mm到-6.3 mm變化，這是由于核心筒從正陽面向背陽面方向彎曲，屋頂桁架跟著發(fā)生傾斜，下掛框架往負(fù)Y向偏移。Z向位移主要是由于向陽面的索和結(jié)構(gòu)在日照效應(yīng)下膨脹變形和核心筒及屋頂桁架變形引起的疊加，基本在-20 mm左右，只有背陽面中17號(hào)～20號(hào)共4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位移在-8 mm左右，這個(gè)位移主要是核心筒和屋頂桁架在日照變形帶來的。

3.3.2 45 ℃角日照影響

圖10為45 ℃角日照下關(guān)鍵點(diǎn)8個(gè)施工步的三向位移曲線綜合，這種工況下X，Y向的位移較正面照射工況下大，而且結(jié)構(gòu)發(fā)生了扭曲。X向位移變化范圍為-16 mm～8 mm，從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，28個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)不但有相互之間的位移變化，整體向-X方向傾斜。Y向位移變化范圍為-7 mm～18 mm，整體向Y方向傾斜。不同于正面日照的影響，45 ℃角日照下隨著框架的逐步提升，28個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的兩個(gè)方向的變化增大，這個(gè)變化是由于框架自身受到日照后相互之間作用引起的。Z方向的變形也是幾個(gè)變形的疊加，沒有受到陽光照射的18號(hào)～26號(hào)節(jié)點(diǎn)位移在-5 mm～3 mm之間變化，其他基本在-20 mm左右，這個(gè)變形最主要是提升索和框架受熱膨脹所致。

3.4 控制變形的措施及分析

由以上分析可知，對(duì)提升框架關(guān)鍵點(diǎn)X，Y方向的影響，正面日照下較小，對(duì)施工過程影響較小，但在45 ℃角日照的影響下無法精確安裝吊柱，因此必須采取措施保證施工的順利進(jìn)行。

3.4.1 變形控制措施

分析日照的影響，最有效的變形控制是，拉桿和樓層梁在安裝過程中采用剛性支撐使得提升單元與裙樓頂面或者核心筒固定，提升時(shí)脫開。整個(gè)提升過程一共分8個(gè) 提升步，每完成一節(jié)吊柱和兩層梁提升一次，中間的時(shí)間間隔比較短，因此撐桿的拆卸便捷性也非常重要。圖11為臨時(shí)支撐的布置圖，支撐布置在最下層，利用了現(xiàn)有的樓層梁兩側(cè)和吊柱與核心筒的鉸接節(jié)點(diǎn)，安裝時(shí)支撐鉸接于兩端，需要提升時(shí)只要把與框架梁連接的一頭提起，就可以完成本次累積提升，然后重復(fù)拼裝-提升這個(gè)過程。

3.4.2 控制后日照分析

圖12,圖13分別是采取措施后，各個(gè)提升步中關(guān)鍵點(diǎn)的位移變化曲線。正面日照下，進(jìn)一步減小了關(guān)鍵點(diǎn)的X,Y方向位移變化，所有點(diǎn)位控制在±4.3 mm。45 ℃角日照下，X向位移變化在-6 mm～8 mm，Y向位移變化在-10 mm～8 mm，這兩個(gè)位移較采取措施前有大幅的降低，進(jìn)一步分析，可以發(fā)現(xiàn)提升前5步兩個(gè)方向位移基本在±5 mm，完全可以全天候施工，后3步需要避開在45 ℃角日照條件下施工。Z方向的位移不受該方法的影響，施工過程中需要通過控制提升索的高度就可解決。

4 結(jié)語

一般在超過200 m以上的超高層工程的施工過程才會(huì)考慮日照溫差的影響，但本工程的懸掛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，沒有采用樓層按順序自下而上逐層施工的傳統(tǒng)路線，而是把吊柱和框架梁組成的外框先行施工完成，然后從下往上施工樓層梁。外框采用逆作累積提升，作為提升支撐的核心筒和屋頂桁架在整個(gè)提升過程中暴露在陽光之下，日照效應(yīng)使得已經(jīng)提升部分的框架和吊柱位置發(fā)生偏移，因而無法保證后續(xù)安裝吊柱的垂直度和節(jié)點(diǎn)螺栓100%的穿孔率要求，而吊柱承擔(dān)所有樓層的荷載，其施工質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)安全，所以日照引起的安裝偏差必須精確分析并采取措施以保證安裝質(zhì)量。