周杰刚，陈 锴，武 超，施红军，黄挡玉
（中建三局集团有限公司，湖北 武汉430064）
[摘要]根据武汉中心工程65层酒店大堂的建筑功能要求，66层转换结构高度需限定在1. 2m以内。在巨型框架结构、巨型悬挂结构的基础上，结合过程设计方法和先进卸载技术，将65层以上外框结构设计为逐级成型的上挂下承结构，利用顶部环带桁架悬挂减少下部转换大梁的承载力，以实现建筑功能需求，并系统地介绍其原理。该结构形式新颖，在400m以上超高层建筑中首次采用，较好地解决了结构受限问题，取得较大效益。
[关键词]高层建筑；上挂下承结构；逐级成型；悬挂结构；转换梁；后装段
[中图分类号]TU974[文章编号]1002-8498(2016)05-0027-04
0 引言
武汉中心工程总建筑面积36万m2，塔楼高438m，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。塔楼从下至上建筑功能分为高级办公、酒店公寓、酒店客房及观光层。本文以实现建筑功能的需求为出发点，结合各种不同结构形式的对比分析以及目前施工技术的发展，创造性地提出一种新型逐级成型的上挂下承结构形式，并介绍其原理。塔楼整体功能分区如图1所示。
1 逐步成型的上挂下承结构形式确定
1.1 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，66层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≥4. 725m，以保证房间向外的可视范围，酒店大堂平面如图2所示。
1.2不同结构形式的对比分析
结合建筑造型及结构初步计算分析，武汉中心外框结构整体体系采用巨型钢管混凝土柱及多道环带桁架组成的巨型框架结构，每层共设置16根巨型钢管混凝土柱，其中角部设置8根，每侧面设置2根，结构平面布置如图3所示。
66层以上外框可采用的结构形式有巨型框架结构和巨型悬挂结构，这2种结构形式上、下部结构均可以灵活布置，能够获得无柱大空间，满足酒店大堂的需求。结构设计思路为取消外框65层楼面以上的8根边柱，酒店客房区采用次框架结构，以满足柱间开间的需求。最终采用何种结构形式取决于几个重要因素：对建筑功能的影响、对整体结构受力的影响、施工可行性以及整体经济效益。需结合这些因素对各种结构形式进行详细分析比较。
1.2.1 利用桁架作为转换结构的巨型框架结构
形式
利用桁架作为转换结构是最常规的一种结构形式。经试算分析，采用桁架作为转换结构的巨型框架结构形式，需要占用上部楼层空间来布置桁架，用钢量约900t，不经济，如图4所示。
1.2.2 巨型悬挂结构
巨型悬挂结构是将部分次结构悬挂在顶部较强转换桁架上的一种结构形式，这种结构将常规受压的次结构柱转换为受拉的次结构柱，一方面可取消下部转换结构，另一方面可减小次结构柱的截面尺寸，同时其下部可以获得较大空间。65层以上采用巨型悬挂结构，主要缺点有：外框在65层处刚度突变较大，且此处取消转换结构会造成塔楼结构冗余度偏小，施工困难。其结构布置形式如图5所示。
1.2.3 利用转换大梁作为转换结构的巨型框架结构形式
在66层设计1. 2m高的转换大梁作为转换结构，材质Q345，采用箱形截面，上、下翼缘厚100mm，腹板厚80mm，跨中宽度为2 380mm，端部宽度为1 260mm。施工过程中，转换大梁下部设置临时胎架，然后逐层施工各楼层，待顶部环带桁架和楼面结构施工完成后卸载转换大梁支撑胎架。上部整体结构内力根据转换大梁、顶部环带桁架及中部次结构刚度比例进行分配，结构形式如图6所示。
根据结构整体计算分析，转换大梁使用过程中的最大应力比接近1.0，超出了结构设计的限值，转换大梁卸载过程中结构内力（占结构所有荷载约50%的结构自重）重分布完全取决于各部分结构的刚度比，造成转换大梁负荷超限。
1.2.4 逐级成型的上挂下承结构形式
此结构形式将巨型悬挂结构和利用转换大梁作为转换结构的结构形式紧密结合，在次结构某楼层设置一次卸载过程，先将部分荷载主要悬挂在顶部环带桁架上，然后在转换大梁卸载过程中再次对未悬挂部分荷载进行重分布，通过这种逐级的卸载过程，控制转换大梁负荷在其承载力范围内。按照局部到整体的思路，分关键工况和全过程验证分析对施工和卸载过程中荷载分配进行控制和监测。
逐级成型的上挂下承结构形式关键部件包含顶部加强桁架、转换大梁及次结构处的后装段，其核心在于施工过程控制，转换大梁承载了一部分上部次结构的荷载，同时也有效加强了外框结构体系的整体刚度和整体稳定性，保证了结构的冗余度在规范允许范围内。根据初步计算分析，后装段楼层确定在72层，结构形式如图7所示。
经整体结构计算分析，转换大梁最大的应力比为0.8，满足规范要求。对逐级成型的上挂下承结构形式过程模拟计算分析如下，以下计算仅考虑施工过程中的荷载（结构自重及施工荷载）。
1)转换大梁 由转换大梁跨中弯矩图可知，转换大梁跨中弯矩最大值为7 350kN -m，是未设置后装段结构形式下的1/2，大大降低了转换大梁的负荷，从而使得转换大梁能够满足承载力需求。由转换大梁变形图可知，由于设置了后装段，次框架结构的卸载分为2个过程，转换大梁卸载时，其跨中发生的最大竖向变形值< 25mm，较不采用后装段的结构形式减少1/3，施工过程中可采取措施避免变形对楼板混凝土的影响。
2)顶部加强桁架 对顶部加强桁架的受力计算可知，上、下弦杆的轴力约为4 300kN，较未设置后装段的结构形式增加超过1/3，说明后装段的设置使得更多的荷载传递至顶部加强桁架，但是由于后装段的卸载过程，使得后装段以上的次结构“空腹桁架”效应更加明显，后装段以上的次结构荷载也有一部分直接通过次结构传递至两侧主结构柱。
综上所述，逐级成型的上挂下承结构形式下，次结构传递至顶部加强桁架的荷载更多，而传递至转换大梁的荷载更少，从而使得原本承载力不足的转换大梁能够满足承载力需求。
2逐级成型的上挂下承结构分析
2.1 结构形成步骤分析
逐级成型的上挂下承结构包含两级卸载，即后装段卸载和转换大梁卸载。第1级卸载是后装段的卸载，通过此级卸载形成以后装段为界的上悬挂、下支承结构，大大减小了转换大梁负荷；第2级卸载是转换大梁卸载，在上部结构已经全部完成且后装段终固完成后进行，此步骤会促使原支承部分结构荷载再一次内力重分布，使得更多的荷载再次传递至顶部加强桁架，从而确保转换大梁负荷在其承载力范围内。
2.2 结构工况原理分析
根据结构形成过程，整体上分为3个大工况：后装段卸载以前工况（工况1）、后装段卸载至终固时工况（工况2）以及转换大梁卸载后工况（工况3）。
2.2.1 后装段卸载以前工况
工况1工序：先安装其临时支撑胎架，再安装转换大梁，随后按照正常施工顺序（即钢结构吊装→压型钢板铺设→钢筋绑扎→混凝土浇筑）施工结构至后装段楼层，然后安装后装段处的临时支撑装置和以上各层的钢结构，并完成各层压型钢板铺设及钢筋绑扎工作，过程中混凝土暂缓浇筑，最后安装完成顶部加强桁架。
转换大梁仅作为传力结构，顶部加强桁架以下的各层结构荷载大部分向下传递至转换大梁，再通过转换大梁临时支撑结构传递至下部永久结构，极少部分的荷载通过次结构梁传递至两侧钢管柱及核心筒结构上，此时次结构柱在转换大梁上表面的根部应力达到设计允许的最大水平，荷载传递路径如图8a所示。
2.2.2后装段卸载至终固时的工况
工况2工序：先进行后装段卸载，然后逐层浇筑后装段以上各层楼面混凝土，待后装段处竖向变形稳定后，将后装段处上、下两节柱焊接终固，完成整体结构的安装。
以后装段为界，后装段以上各楼层的荷载主要通过次结构向上传递至顶部加强桁架，而后装段下方的各楼层荷载大部分向下传递至转换大梁，再通过转换大梁临时支撑结构传递至下部永久结构，两部分荷载均有少部分直接传递至两侧的钢管柱上。此时，次结构柱根部应力有所减小，但仍会处于较高的状态，荷载传递路径如图8b所示。
2.2.3转换大梁卸载后工况
工况3条件下，完成转换大梁的卸载工作，最终形成完整的上挂下承结构。
转换大梁卸载时，由于转换大梁及次结构的向下变形使得荷载根据各部分结构的刚度再次重分布，鉴于顶部转换桁架的刚度设计较强（结构整体刚度的需求），在卸载过程中，原后装段以下的楼层荷载部分会向上传递至顶部加强桁架上，而传递至转换大梁的荷载会减小，次结构柱根部的应力也会再次减小，此时转换大梁作为受力结构，其应力水平处于设计范围，荷载传递路径如图8c所示。
2.3逐级成型的上挂下承结构关键部件分析
在逐级成型的上挂下承结构中，顶部加强桁架在外框整体结构体系设计时已基本确定，而转换大梁及后装段是此结构形式设计时的关键部件。
2. 3.1后装段形式
后装段是整个体系中极其关键的部分，结构设计希望保持次结构柱连续获得较好的结构冗余度，通过延缓次结构柱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到顶部加强桁架和两侧主结构柱。
延缓次结构柱向下传力路径的方法有多种：①通过设置临时支托桁架，支撑某层以上结构，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；②按照常规的施工顺序施工至顶部加强桁架合龙，然后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“接上”被“切断”次结构柱。
经过经济效益对比分析，最终采用第2种方法，用于“切断”次结构柱的是液压卸载装置，“接上”的方法是焊接。
2.3.2转换大梁设计分析
该结构形式下转换大梁是提高外框整体冗余度的关键构件。最不利工况下荷载取值为风荷载的组合和中震弹性荷载组合方式。
综上分析，转换大梁在两种最不利工况下计算结果均能满足规范要求。根据统计，转换大梁每根质量为150t，合计约600t，较利用桁架作为转换结构的结构形式用钢量减少了300t，节约造价。
次结构柱底截面选取40mm厚钢板，钢材等级选用Q90，设计强度为315MPa。柱高300mm，忽略剪力影响，柱底应力约为280MPa，满足设计要求。
3 结语
本文在巨型框架结构、巨型悬挂结构的基础上，结合过程设计方法和先进卸载技术，提出新型逐级成型的上挂下承结构形式，利用顶部环带桁架悬挂减小下部转换大梁的承载力，以实现建筑功能需求。该结构形式新颖、安全，施工过程可控，节约钢材300t以上，经济效益显著，适用于大跨度、大空间、大荷载工程，并在武汉中心工程中成功应用。
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