武汉中心工程上挂下承结构后装段卸载主动控制技术

  叶水明1，周杰刚2，武  超2，李健强2，张  伟3

  （1．武汉中心开发大厦投资有限公司，湖北  武汉430064；2．中建三局集团有限公司，湖北  武汉430064；3．中建钢构有限公司，广东  深圳  518040）

[摘要]上挂下承结构是一种次结构内同一根柱上段受拉下段受压的结构形式，可有效降低下部转换结构的负荷，但其施工过程较为复杂，其中后装段卸载是实现上部结构悬挂的关键。针对武汉中心工程逐步成型的上挂下承结构后装段，从卸载主动控制目标确定、精确可调的同步卸载装置设计、卸载工艺流程以及卸载过程中的数据监控等方面详细介绍了卸载主动控制技术，实现了后装段卸载的平稳、安全、可控。

  [关键词]高层建筑；上挂下承结构；同步卸载；主动控制

  [中图分类号]TU974[文章编号]1002-8498(2016)05-0031-04

1  工程概况

 武汉中心工程塔楼地上88层，建筑总高度438m。工程主体结构为核心筒-巨柱-伸臂桁架结构体系，外框65层设置酒店大堂，建筑上需形成无柱大空间，并限制了转换结构的高度在1. 2m以内，这使得常规结构形式下转换结构承载能力不足。为此．设计院提出了逐步成型的上挂下承结构，在66层设置转换大梁，顶部设置加强桁架，并在77层设置后装段，施工过程中利用后装段处卸载实现部分结构上挂于顶部加强桁架，从而降低转换大梁负荷的目的（见图1）。

2后装段卸载重、难点分析

 1)整体卸载量大武汉中心工程77层后装段以上在卸载以前的结构荷载超过10万k N，对卸载装置的要求及卸载过程控制要求高。

 2)卸载同步性要求高  后装段处的次结构柱位置分散，如果卸载过程中各次结构柱之间出现较大的竖向变形偏差，就会对结构局部位置应力造成较大影响，同时也会造成卸载装置负荷不均衡，影响结构的受力和卸载安全。

 3)卸载精度控制要求高  由于次结构柱对卸载的同步性要求高，因此在卸载过程中，卸载装置必须能够非常精确地控制每一步卸载量，同时在各点位偏差超过限值时能够快速进行调节。

3  后装段卸载主动控制技术

3.1  卸载主动控制指标确定

 1)基于计算模拟分析确定后装段上、下两段次结构柱间预留间隙指标  上、下次结构柱间预留间隙由77层以上的下挂结构部分总沉降决定，沉降分为2部分，一部分为77层后装段卸载时变形值，另一部分为77层以上混凝土浇筑后变形值，根据施工全过程模拟，77层最大竖向变形为33mm，考虑计算模拟及施工过程误差，将间隙设置为40mm。

 2)后装段卸载分级数量及各级卸载指标确定根据施工全过程模拟，卸载完成后总变形最大为11mm、最小为7mm，每级卸载值根据计算确定，以结构承载力作为控制依据，考虑到沉降变形稳定需一定时间，因沉降差异较小，故分为6级进行等变形卸载，每次卸载2mm。

 3)后装段卸载同步性指标确定77层后装段卸载是20根次结构柱同时进行，由于次结构柱位置分散，卸载过程中出现较大偏差将可能导致部分次结构产生较大应力，且可能造成部分次结构柱处卸载装置承受的荷载过大，不利于结构受力和卸载装置安全，最终确定相互之间偏差> 2mm时进行调节。

3.2精确可调同步卸载装置设计

 上挂下承后装段卸载要求精确可调，并能够实现同步控制。基于此需求，本工程设计了一种安全、稳定、同步的卸载装置。

  3. 2.1卸载装置组成

 卸载装置由牛腿、临时固定装置、垫块、斜垫块、调整垫块、液压千斤顶、U形垫块、同步卸载控制系统组成（见图2，3）。

 1)牛腿、垫块  主要作为上、下次结构柱的反力装置。

 2)临时固定装置  后装段上部结构安装时临时固定装置，螺栓连接。

 3)斜垫块主要用于微调装置高度。

 4)调整垫块  由钢板加工而成，当装置高度存在较大误差时使用。

 5)液压千斤顶  同步卸载动力装置，能够实现同步加、卸载。

 6)U形垫块77层卸载前结构荷载通过U形垫块传递荷载，液压千斤顶活塞不受力，保证卸载装置的稳定性，卸载时活塞可穿过U形垫块作用至牛腿，U形垫块数量及厚度根据卸载步骤确定。

 同步卸载控制系统：实现液压千斤顶同步卸载的系统，同步卸载控制系统组成及布置如图4所示。

3.2.2同步卸载控制系统

 1)液压同步卸载系统

 本工程采用TLC -1.3型计算机控制系统，控制系统由计算机、动力源模块、测量反馈模块、传感模块和相应的配套软件组成，通过CAN串行通信协议传递数据。本控制系统通过众多工程检验，具有稳定可靠、高精度的特点（见图5，6）。

 2)人机交互系统

 计算机自动控制系统的核心控制位置装置是 西门子S7 -200系列的CPUS7 -224，触摸屏可以显示各顶升过程数据和保存数据。

 位移传感器是属于金属感应的线性器件，通过电位器元件将机械位移转换成与之呈线性关系的电流输出，然后再转换为数字信号的形式直接送入计算机系统。本次卸载利用位移传感器直接实时反映后装段及以上楼层结构荷载对77层对接口位置的位移变化情况，以便实时控制和动态调整以上楼层结构标高和预起拱量，每个对接点布置1个。

 压力传感器将液压油的压力通过晶体的压电效应以模拟量传回测量模块，经过转换后以数值形式传输到计算机。压力传感器安装在油缸大腔，即时反映顶升油缸工作的压力，以便实时控制后装段各对节点的受力均衡。

3.2.3卸载装置设计

 1)液压油缸确定  根据施工全过程模拟，提取出后装段卸载前各工况下的次结构柱GZ-1~GZ-3的反力，最后得到柱脚最大反力为-1 229kN，本工程每根次结构柱选用2个100t千斤顶即可满足需求，77层次结构柱反力如表1所示。

3.3卸载流程控制

 根据主动控制中的卸载分级数量及每级卸载量指标，后装段卸载工艺流程控制如下。

 根据后装段卸载装置的特点，卸载装置在卸载前通过U形垫块传递荷载，要实现后装段卸载需先卸载U形垫块，取出U形垫块，即通过液压千斤顶代替U形垫块承受荷载，故后装段卸载第1阶段为改变卸载装置传力路径，路径改变完成后第2阶段为恢复结构至初始状态，最后阶段为结构分级卸载。

 对于第1阶段改变传力途径方法为先将77层上部次结构柱顶升，取出U形垫块即可，但顶升高度应该考虑对结构的影响，并尽可能减少顶升长度，减少整个卸载过程的时间，降低卸载风险，根据施工模拟，当顶升距离< 5mm时，对结构影响不大，故第1阶段考虑顶升2~ 3mm;第2阶段卸载2～3mm；第3阶段分6级卸载，每级卸载2mm。当沉降变形较大时，可采用多块U形垫块，U形垫，块随卸载步骤逐片去除，确保卸载过程中的安全，U形垫块取出后使千斤顶恢复至正常状态，然后开始第3阶段分级卸载，卸载过程中利用位移传感器及压力传感器对卸载过程中的液压千斤顶行程及压力进行监测，并通过控制中心进行偏差调整。

3.4基于监控的动态控制技术

 后装段实际卸载过程中，第1阶段先顶升2mm，但部分U形垫块难以取出，故再顶升1mm，此时油缸压力最大达24. 2MPa，在第3阶段卸载6mm后千斤顶压力接近0，卸载结束。在上述卸载步骤下，千斤顶压力如图8所示，各点位压力变化趋势一致，且顶部环带桁架几乎无变形，卸载过程稳定。

 对卸载时、卸载10h以后待沉降变形稳定时及计算模拟沉降变形值对比如图9所示，结果显示，大部分次结构柱沉降稳定后有回弹趋势，且稳定后沉降均小于计算模拟值，与模拟值相差较大，但大部分次结构柱稳定后沉降与理论沉降趋势一致。分析可能导致此现象发生的主要原因有：①计算模拟过程中放大了施工过程中结构楼层的荷载；②后装段以下各楼层结构在减小后装段以上的荷载后，压缩变形减小，出现“涨高”现象，使得测量基准点发生变化，故测得的沉降变形值减小。

 卸载完成后，根据施工流程开始浇筑77~87层以上混凝土，混凝土浇筑过程中77层后装段部位将持续沉降变形，此阶段沉降也是主动控制的重点，是结构安全的保证。为确保77层以上结构能够自由沉降，除前面在上、下次结构柱之间预留一定间隙外，还应监测卸载后的77层后装段位置结构沉降变形；此外在77层后装段上部次结构柱及85层次结构柱进行应力监测，保证结构安全。

 根据对混凝土浇筑过程的应力监测，77层次结构柱为拉应力，最大应力为34.2 N/mm2，位于85 ,86层混凝土浇筑完成后77层次结构柱上（见图10）；85层次结构柱为压应力，随着混凝土浇筑楼层的增加，压应力逐渐减小，87层混凝土浇筑完成后最小应力为-8.2N/mm2，均满足设计要求。

4  结语

 上挂下承结构后装段卸载是结构形成的关键步骤，武汉中心工程采用同步卸载装置实现了卸载过程的精确可调以及同步性，同时根据计算分析结果确定合理的卸载流程，并进行了有效控制，保证了卸载过程平稳、安全；另外，结合监测数据对卸载过程实施动态管理，取得了良好效果。