武汉中心工程上挂下承结构设计主动控制技术*

 周杰刚，周  健，武  超，陈  锴，黄挡玉

 （中建三局集团有限公司，湖北  武汉430064）

[摘要]随着卸载技术和施工模拟技术的发展，巨型结构中出现了一种新型的悬挂结构体系。在此基础上，提出了一种新型的逐级成型的上挂下承结构体系，从结构的提出与确定、目标研究以及主动控制技术方法运用等方面进行系统阐述，形成一套上挂下承结构主动设计控制技术，并成功在武汉中心工程中应用。

[关键词]高层建筑；上挂下承结构；主动控制；转换梁；卸载

[中图分类号]TU974  [文章编号]1002-8498(2016)05-0018-04

 随着卸载技术和施工模拟技术的发展，本文基于武汉中心工程特殊的建筑功能需求，提出了一种新型的逐级成型的上挂下承结构形式，并对结构设计主动控制技术进行了系统研究。

1  工程概况

 武汉中心工程位于武汉王家墩CBD，是集办公、酒店、商业、会议等功能为一体的国际SA级商务综合体。塔楼地上部分88层，总建筑高度438m，总建筑面积约36万m2，塔楼整体结构形式为外框钢管混凝土巨柱框架+核心筒+伸臂桁架。

2逐步成型的上挂下承结构提出与确定

2.1  建筑功能需求及限制条件

 武汉中心塔楼65层为酒店大堂，建筑限制条件为：层高8. 4m，外框8根边柱在65层楼面处收头形成跨度28. 35m的大跨空间，结构转换构件高度限制为1. 2m，同时66层及以上的各层酒店客房结构柱开间不得小于4. 725m，以保证房间向外的可视范围。

  2.2不同结构形式的对比分析及确定

 实现上述建筑功能有多种可供选择的结构方案：巨型框架结构、巨型悬挂结构、上挂下承结构。其中上挂下承结构形成有3种不同方案：①不设置后装段，按照正常施工顺序施工，最后卸载下部转换结构；②设置后装段，转换结构与后装段同步卸载，上挂下承结构一步形成；③设置后装段，先卸载后装段，待上部结构施工完成后卸载转换结构，上挂下承结构逐步成型。

 针对以上不同的结构形式，从结构受力、经济效益、施工操作简便性、对建筑功能的影响等方面综合分析，最终确定采用逐步成型的上挂下承结构，该结构体系由转换大梁、后装段、顶部加强桁架、钢管混凝土柱、次结构柱以及楼面结构等组成，施工过程中需要在转换大梁下方及后装段处设置临时支撑装置作为传力机构，上挂下承结构体系如图1所示。

3设计主动控制目标研究

 常规结构设计以强度、刚度和稳定性作为主要的设计控制指标，而逐步成型的上挂下承结构除了这几个常规的指标以外，还应关注整体结构荷载分配的比例，即受力均衡性以及结构设计对施工的影响。

3.1  结构受力均衡性指标

 对于上挂下承结构，当结构形成整体之后，根据工况3可知次结构的荷载传递路径为3条：部分荷载通过次结构柱的压力传递至66层的转换大梁，部分荷载通过次结构柱的拉力传递至顶部加强桁架，还有部分荷载通过次结构框架形成的空腹桁架传递至两侧主结构柱。各部分荷载传递比例取决于2个因素：①荷载分布以及由结构布置决定的3条路径的刚度比例，这是由结构布置本身决定的；②该部分结构刚度的形成过程。因此，考虑通过一定施工过程的设定去主动控制和调整结构内力分布，从而使得原来强度不满足要求的转换大梁及次柱满足设计要求，实现顶部加强桁架与下部转换大梁受力均衡目标，达到控制次结构柱和转换大梁截面尺寸的目的。

 逐步成型的上挂下承结构中，后装段卸载完成后，后装段以上的荷载大部分向上传递至顶部加强桁架，后装段以下的荷载大部分通过次柱受压传递至转换大梁。转换大梁卸载时，转换大梁、顶部加强桁架及次结构空腹桁架在荷载的作用下均会发生向下变形，由于转换大梁刚度与顶部加强桁架的刚度相比相对较小，转换大梁的变形会大于顶部加强桁架的变形，使得原后装段以下的部分荷载继续传递至顶部加强桁架，根据力与变形的关系，跨中向上传递的荷载会较多，两侧向上传递的荷载会逐渐减小，使得由转换大梁分担的荷载呈现下凸的抛物线形状（见图2）。

 这种荷载分布情况下，有利于降低转换大梁的跨中弯矩，减小其截面尺寸，同时也利于降低受力较大的跨中部位次结构柱的压力，减小其截面尺寸；另外，顶部加强桁架分配的荷载正好与转换大梁相反，有利于充分发挥其强度作用。

 综上所述，结合建模受力分析，结构受力均衡性的控制指标为：顶部加强桁架的强度利用率提高20%以上，下部转换大梁的荷载分配比例下降60%以上，尽量降低次结构柱柱脚处的压应力。

3.2结构设计对施工的影响指标

 逐步成型的上挂下承结构中后装段以上的楼层混凝土需后装段卸载之后才能浇筑，随后逐步安装外幕墙以及塔楼顶部的塔冠结构。后装段的卸载是关键线路工作，预留后浇筑楼层的数量是对后续工期影响的关键因素。设计主动控制的目标之一就是要尽量提高后装段的设置楼层、减少混凝土暂缓浇筑的楼层数量，降低结构设计对工期的影响。

 逐步成型的上挂下承结构与一步成型的上挂下承结构不同，前者后装段的位置影响后装段以下的结构荷载在各部分结构中的分配比例；而后者中后装段位置确定后，各部分荷载比例基本确定。因此，一步成型的上挂下承结构中后装段的位置是以转换大梁的受力决定的，而逐步成型的上挂下承结构中后装段位置的确定不仅要考虑转换大梁的受力，还需考虑施工影响，设计时以受次结构柱施工过程中的柱脚最大应力作为控制原则。

 综上所述，结构设计对施工影响的主动控制指标为施工工期。

4  设计主动控制技术研究

 设计主动控制以主动控制目标为依据开展，主要从设计方法和施工顺序确定两方面进行研究。

4.1  过程控制设计方法运用

 逐步成型的上挂下承结构涉及施工过程内力重分布，某些构件最大应力状态会出现在施工过程中，因此不能按照最终的工况一次性加载，需结合确定的施工顺序进行各工况分析，以保证结构安全。

 过程控制设计方法的关键在于工况的选择，依据是经确定的施工流程。采用Midas软件进行分析，利用软件中的构件冻结与激活功能，通过建立结构组、荷载组和边界组来实现过程模拟。

 施工过程模拟考虑的荷载是结构自重以及施工过程中的一些外加荷载，并没有考虑使用过程中的荷载以及地震、风荷载等，由于绝大部分构件在施工过程中应力都处于较低水平，因此，设计时的施工过程模拟在于控制构件在瞬间约束改变时的变形及各部分荷载的分配情况，其目的是为了选择合理的施工控制流程，并对施工过程中的控制措施提出相应要求。

4.2  基于施工顺序的设计主动控制技术

4. 2.1后装段形式研究

 减少直接传至转换梁荷载最直接的方法是取消转换梁以上某一层的次结构柱，但一般结构设计希望保持次结构柱的连续以获得较好的结构冗余度，因此，并非在物理上真正“取消”它，而是通过延缓这一条途径开始传递荷载的时间，使得更多荷载在这条路径形成之前传递至顶部加强桁架和两侧主结构柱。

 延缓此结构柱向下传力路径的方法有多种：一种是通过设置临时支托桁架，支撑某层以上的结构，待顶部加强桁架合龙后，再拆除该临时支托桁架，并尽可能多地施加那些楼层的附加荷载，使该层以上的荷载先通过次结构柱受拉传递至顶部加强桁架和次框架的空腹桁架效应传到主结构柱，最后安装该层的次结构柱；另一种更加简单的方法是，按照常规施工顺序施工至顶部加强桁架合龙，用液压卸载装置将希望后装的楼层柱“切断”，改变次结构柱内的荷载传递路径，强迫“切断”柱以上的荷载均传递至顶部加强桁架，再采用焊接方式“接上”被“切断”次结构柱。

4.2.2转换大梁卸载时间研究  ，

 转换大梁的卸载时间有2种选择：方案1是在后装段卸载完成后立即进行转换大梁的卸载，方案2是在后装段以上各楼层混凝土浇筑完毕且后装段终固之后进行卸载。计算对比上述2种卸载时间下转换大梁弯矩、次结构柱轴力以及顶部加强桁架的上、下弦杆轴力情况。

 根据计算，方案1弯矩大于方案2弯矩近1倍；方案2中转换大梁跨中处次结构柱呈受拉状态，轴力约为650kN，而方案1中次结构柱呈受压状态，压力值约为112kN；方案2可使顶部加强桁架的轴力为4 460kN，方案1为3 800kN。

 综上可知，逐步成型的多级上挂下承结构与一步成型的上挂下承结构比较，转换大梁分配的荷载会减半，大大降低了转换大梁的应力水平，使其处于设计的允许值范围内；另外，会提高顶部加强桁架的强度利用率约20%；此外，最后卸载转换大梁使得跨中原本受压的次结构柱转变为受拉，有效保证了结构的承载力。

4.2.3后装段楼层确定

 后装段所在的楼层越低，传至转换梁的荷载越小，顶部加强桁架的负担越大。以转换大梁的强度能够满足要求且能充分发挥承载作用以及次结构柱能够承担施工过程中的荷载为指标确定后装段的位置，将后装段尽可能上移，最后通过转换大粱的卸载使荷载分配更加均衡。

 初步计算分析将后装段确定在72层，随着设计深度的增加以及设计与施工的相互协调分析，最终将后装段的位置确定在77层。具体原因如下。

 1)2种不同位置的结构受力计算分析

 后装段位于77层时，跨中次结构柱最终呈受拉状态，两侧4根次结构柱均受压；后装段位于72层时，中部3根次结构柱均受拉，两端处的次结构柱受压。2种工况下，次结构柱最终的受力变化较小，且都在其规范允许值内。

 后装段位于72层与后装段位于77层相比，转换大梁分配的荷载比例降低，仅就此项分析，后装段位置不宜过高，但后装段位置过低会造成转换大梁强度不能充分利用。

 后装段位于77层与后装段位于72层相比，传递至顶部加强桁架的荷载反而会略微增大，主要原因在于后装段以上的楼层越多，次结构的空腹桁架效应越明显，通过次结构空腹桁架效应直接传递至两侧主结构柱的荷载比例就会增加。

 综上所述，结构受力对比分析并非是后装段从72层优化至77层的控制因素。

 2)2种不同位置的施工工期分析

 后装段位于72层时，暂缓浇筑的混凝土楼层数量为16层，每层施工工期2d，合计32d。后装段位于77层时，较位于72层缩短了5层共计10d工期，幕墙施工每层3d共计15d，合计缩短25d工期，对于工期紧张的超高层而言，工期效益显著。

 因此，后装段优化至77层，主要出于工期效益考虑。

4.2.4整体施工顺序确定

 在确定后装段的形式、位置及转换大梁的卸载时间后，确定最终施工控制顺序如图3所示。

5  结语

 本文基于武汉中心工程酒店大堂限高和转换大梁尺寸受限的要求，创造性地提出了一种新型逐级成型的上挂下承结构体系，从结构的提出与确定、目标研究以及主动控制技术方法运用等方面进行系统阐述，从设计角度出发确定了整个施工控制程序，形成了一套上挂下承结构设计主动控制技术，并成功在武汉中心工程中得到应用，为类似超高层建筑结构设计提供了有益借鉴和参考。