巨型非对称悬挂纯钢结构塔楼施工变形控制

1 深圳市土地投资开发中心

2.中建科工集团有限公司

摘要：深圳某项目结构形式为“带悬挂层的框架-支撑结构”，由核心筒和6个非对称错层布置的巨型悬挂外框组成。根据安装顺序，采用有限元软件MIDAS对全施工过程进行模拟分析及变形计算。通过核心筒反向预偏与外框结构预抬控制塔楼施工变形。同时根据施工模拟对比分析选择最优的支撑卸载顺序，从而达到结构整体变形控制。经由全站仪复测发现，卸载前后变形值与理论计算值基本吻合。

关键词：巨型非对称悬挂外框；超高层；预变形；施工模拟；变形控制

Abstract：The structure form of a project in shenzhen is “frame-support structure with suspension layer”, which consists of core tube and six mega suspension frames arranged by asymmetric staggered layers. According to the installation sequence, the finite element software MIDAS was used to simulate the whole construction process and calculate the deformation. The deformation of tower construction was controlled by core tube reverse pre-deflection and outer frame structure pre-lifting. At the same time, according to the comparative analysis of construction simulation, the optimal support unloading sequence was selected to achieve the overall deformation control of the structure. It was found that the deformation value before and after unloading was basically in accordance with the theoretical calculation.

Keywords：mega asynmetric suspended steel-frame；super high-rise; pre-deformation; construction simulation; deformation control

图1 塔楼效果

Fig.1 Rendering of the tower

图2 塔楼平面布置m

Fig.2 Plan of the tower

图3 支撑措施布置

Fig.3 Arrangement of supports

针对本工程施工方案，塔楼主体钢结构施工过程中变形控制包括以下3点：

1)核心筒水平预偏。施工模拟考虑全荷载作用下，巨型非对称外框对于核心筒的影响，提前进行核心筒安装定位预偏。

2)悬挂外框钢柱预抬。在重力作用下，钢梁与核心筒钢柱间铰接节点将产生一个转动角，需提前对外框吊柱进行预抬，荷载作用下外框钢梁最终恢复水平。

3)支撑措施卸载顺序比选。通过施工模拟对比分析，选择对核心筒钢柱变形影响最小的卸载顺序。

整体施工流程如下：

1)L1～L10层核心筒钢结构施工；

2)插入底部支撑措施(底部分配桁架、底部支撑胎架)施工；

3)下悬翼及核心筒同步施工；

4)中部支撑安装；

5)临时桁架层安装；

6)临时桁架层安装完成后，先拆除中部支撑柱，再拆除底部支撑措施；

7)以临时桁架层作为竖向支撑平台支撑上悬翼施工；

8)待上悬翼施工完成后，拆除临时桁架层措施。完成塔楼主体钢结构安装。

考虑本工程现场施工情况，塔楼施工变形计算荷载取值如下：

1)塔楼钢结构及混凝土楼板自重恒荷载，塔楼钢结构自重荷载由程序自动考虑，塔楼混凝土荷载、楼承板荷载按线荷载加于钢梁上；

2)首层考虑行车荷载和施工堆载；

3)钢结构楼面施工活载取值1.5 kN/m^2[2]；

4)胎架风荷载按wk=μSμZw0计算，w0取50年重现期风压0.75 kN/m²，体型系数μS取2.7，高度变化系数μZ取1.52^[2]；

5)塔楼钢结构施工过程中不进行幕墙施工，风荷载对主体钢结构影响很小。

1)变形计算时的荷载作用组合工况：1.0D(恒载)+0.5L(正常使用阶段活载)；

2)临时措施构件承载力计算时的荷载作用组合工况：1.2D(恒载)+1.0L(活载)+1.4W(风荷载)。

图4 吊柱和核心筒内框架柱编号

Fig.4 Serial number diagram of davits and internal frame columns of core tube

图5 吊柱楼面节点竖向相对位移

Fig.5 Vertical relative displacement of davit floor joints

图6 方钢管混凝土柱楼面节点位移

Fig.6 Displacement of floor joints of square concrete-filled steel tube columns

图7 西塔核心筒钢柱水平位移

Fig.7 Horizontal displacement of core tube of steel columns of the west tower

本工程结合以上计算结果，对核心筒钢柱预偏、悬挂外框吊柱预抬，择优选择变形影响最小的卸载顺序。

目前我国超高层塔楼结构大部分为混凝土核心筒+钢框架结构，仅有少量纯钢结构超高层建筑。而本工程除地上为全钢结构外，还存在以下特点：

1)外框平面布置完全不对称，且3个悬翼质量不一。外框悬翼面积占核心筒面积比例为166.38%。

2)外框立面错层布置，特别是上、下3个外框悬挂桁架层连续错位布置。

3)塔楼重心与刚心分布不均，有扭转效应。经过施工模拟分析，考虑钢结构和混凝土楼板荷载作用下，西塔核心筒最大水平位移达36mm。

根据全荷载作用下(装饰装修阶段)的施工模拟分析，考虑外框作用下对核心筒水平变形影响，施工过程中提前对核心筒钢柱进行水平预偏处理，具体预偏值详见表1。

核心筒水平变形主要是在外框上、下悬翼桁架层范围突变，故核心筒钢柱需要在外框悬翼桁架区域进行反向变形。在现场钢柱安装校正阶段预偏，待整体结构施工完成后塔楼核心筒重新恢复垂直状态。

相比于传统钢结构超高层，外附不对称外挂结构在施工前的全过程施工模拟与后续现场施工的一致性尤为重要，确保塔楼安装理论预偏与最终变形基本一致。

塔楼悬挂外框的非桁架层与核心筒连接节点均为高强螺栓纯铰接连接，仅桁架层主受力构件与核心筒采用全断面焊接。另外，每个外框的质量不一、高度不一、布置位置非对称等特征对塔楼结构施工过程中变形控制提出极高的要求。每个悬挂外框通过顶部桁架层与核心筒刚性连接后，通过吊柱“拉”住下部非桁架层。

表1 西塔下悬翼对应核心筒钢柱安装水平预偏值

Table 1 The lower suspension wing of the west tower corresponds to the horizontal pre-deviation of the steel column installation of the core cylinder

图8 西塔悬翼区吊柱竖向相对位移

Fig.8 Vertical relative displacement of darits of the west tower

浇筑楼板后悬挂外框圆管吊柱的最大相对位移为124mm，对应的挠度为1/172(跨度21.25m)，相对核心筒钢柱产生转动角达0.33rad。施工过程中，需要提前进行外框圆管吊柱的反向预抬，在圆管吊柱安装校正阶段通过提高吊柱安装标高的方式进行预调，现场实际预抬值最大为127mm。

截止目前，下悬翼钢结构施工已完成，且底部支撑措施卸载完成后完成混凝土浇筑，下悬翼沉降变形与模拟计算值接近，因此，对于巨型悬挂钢结构塔楼施工，应根据施工模拟分析的结果，在钢结构安装时提前对外框受拉吊柱进行预抬，以控制塔楼外框竖向变形，确保塔楼施工完成后的受力状态与设计受力状态一致。

表2 西塔外框吊柱竖向预抬值

Table 2 Vertical pre-lift values of the darits of the outer frame of the west towermm

图9 CFT柱X向位移

Fig.9Xdisplacement of CFT column

图10 CFT柱Y向位移

Fig.10Ydisplacement of CFT column

表3 核心筒水平位移

Table 3 Horizontal displacement of core tube mm

2)底部支撑卸载顺序W1—W2—W3与W1—W3—W2的Y向包络水平位移重叠，底部支撑卸载顺序W2—W3—W1与W3—W2—W1的Y向包络水平位移重叠，说明当W1悬挂外框首先拆除或最后拆除时，W2悬挂外框与W3悬挂外框的拆除顺序对Y向包络位移基本没有影响。

3)根据施工过程中核心筒内CFT柱所出现的位移最小作为比选依据，则选择的卸载顺序为W3—W2—W1。

外框W1施工模拟计算的各个点的卸载位移与卸载过程的变形值如表4所示。

表4 底部支撑卸载前后下悬翼底部变形

Table 4 Bottom support deformation of lower suspension before and after unloading mm

通过对底部支撑卸载后悬挂外框底部支撑变形监测，发现理论计算值与现场施工变形监测存在误差，但数值较小。初步分析误差原因如下：

1)全站仪测量存在误差，仪器误差约为2mm左右。

2)温度变化引起的节点竖向位移变化较大，当结构均匀升温或降温时，吊柱节点相对位移变化不大，当结构非均匀升温或降温时，吊柱节点位移变化幅度较大。

底部支撑卸载按W3—W2—W1的顺序进行卸载，监测结果表明底部支撑措施卸载变形值与施工模拟计算值基本吻合。

该项目下悬翼卸载的圆满成功，充分证明了对于巨型非对称悬挂钢结构塔楼的施工变形控制需充分利用施工模拟计算的数据，同时根据塔楼的结构特点，在施工阶段对核心筒钢柱水平预偏，悬挂外框钢柱预抬，通过施工模拟选择变形较小的支撑卸载顺序，可以起到良好的施工变形控制效果，为其他类拟工程提供借鉴。