珠海仁恒滨海中心超高层悬挂钢结构施工模拟分析

刘  坚1，陈  凡1,2，孙学水2，关  超2，张专涛2

（1．广州大学土木工程学院，广东广州  510006；

2．广东杭萧钢构有限公司，广东珠海519000）

  [摘要]珠海仁恒滨海中心A标段塔楼东侧悬挂钢结构为自承重悬挂体系，具有造型新颖奇特、结构传力方式特殊的特点。超高层建筑结构传力路径长，路径效应显著，在施工过程中存在结构体系转换。为保证施工过程的安全性，利用有限元软件对4种不同方案施工顺序进行了对比分析，研究不同施工顺序对结构内力变形的影响。将正常施工模拟结果与一次整体加载结果进行对比分析，分析结果表明考虑几何非线性的模拟施工方法与一次性整体加载所计算的结果有很大不同，前者更接近结构的实际状态。

  [关键词]高层建筑；钢结构；悬挂；施工模拟；有限元分析

  [中图分类号]TU391 [文章编号]1002-8498(2016)02-0043-05

1  工程概况

 仁恒滨海中心坐落于珠海情侣路南端，拱北口岸旁，项目功能包括酒店、写字楼、商业中心等。本工程建筑总层数为50层，其中地下4层，地上46层，建筑总高度215m，结构规划总建筑面积124 401. 4m2。塔楼南、北两侧为裙房，共5层，塔楼采用带加强层的框架-核心筒结构体系。如图1所示。

2钢结构悬挂体系

 塔楼东侧从6层开始有逐层内收的悬挂结构，悬挂结构最大悬挑长度为15m，整个悬挂结构通过斜吊柱连接将荷载传递到主体框架柱；为增加悬挂体系的安全冗余度，结构在6～7层、24~26层、33~ 35层3道加强层处增设钢桁架。

本工程用钢量约10 000t，钢材最大板厚为80mm，钢材主要材质为Q345B，Q345 GJC-Z25等。

本工程钢构件主要类型包括：钢管混凝土柱，矩形钢管吊柱，H型钢梁，钢管混凝土柱最大截面口1400 x1 400×50×50;矩形钢管吊柱最大截面为口800×800×50×50;H型钢梁最大截面为H1 800 x700×35×50;裙房方管钢架最大截面为口950 x950 x50×50。

3  钢结构施工顺序

 本工程结构体系为带加强层的框架-核心筒结构，东侧悬挂结构与主体结构的施工关联应是重点考虑的问题，结合整体结构特点，同时满足总包施工方案，核心筒及外框架是主线需要先行展开施工。在主体结构施工到一定高度具备悬挂体系钢结构施工条件后，及时展开钢结构的吊装作业。钢结构施工应与土建施工密切配合，才能共同完成整体结构的施工任务。

 东侧悬挂结构26层以下为全钢结构，26层以上为钢混结构，因此整体塔楼施工主体A区和悬挂B区根据构件不同竖向分为以下2种施工顺序。

 1)塔楼1~ 26层  主体A区一条施工主线（包含主体结构Al区和西侧悬挑结构A2区），东侧悬挂B区为一条施工主线，A区领先B区结构约4层，有利于整体施工的流水作业。悬挂钢结构的施工顺序从上到下依次为：斜吊柱及钢梁安装、测量校正、焊接、铺设钢筋桁架模板、栓顶焊接等。

 2)塔楼27~屋顶层  主体A区和东侧悬挂B区同步施工。整体施工顺序为：核心筒钢骨柱吊装、外框柱及斜吊柱吊装、外框梁柱板钢筋绑扎、混凝土浇筑。

 在施工中钢结构安装同土建施工交叉紧密，土建按施工组织设计及总体进度计划要求分区域分单元流水施工，施工完一个单元即清理作业面，并交由钢结构施工，土建穿插进行钢管混凝土浇筑工作。钢结构每个单元安装完成后立即组织工序验收，验收完成交给土建单位进行劲性结构及楼面的施工。

4  施工模拟分析

 一个建筑从设计、施工到最终交付使用，需经历一个漫长的施工过程。在施工过程中，不断增长的结构承受着不断增长着的恒荷载、活荷载以及施工期间荷载。因此在此过程中，结构体系一直处于一种变化中的状态。由于大型复杂结构的施工过程是一个复杂的结构体系渐变的过程，施工过程结构体系从无到有、从简单到复杂、从局部到整体、从施工安装到整体竣工，结构的边界条件、几何形态、刚度以及受到的荷载也随着施工过程发生变化。这种变化呈现出时变的特性，施工过程是一个耦合了时间的过程。在施工过程中，结构受力状态与施工步骤在某些阶段可能会表现出一定的非线性关系。

 超高层悬挂钢结构施工过程中主要需要考虑的时变因素有以下几点。

 1)结构时变  悬挂钢结构的建造过程是一个动态的过程，结构从开始施工到拼装成型，分析对象随时间在不断变化。预应力结构施工中预应力的输入与控制也对结构刚度产生影响。因此，计算过程中可能需要不断改变结构的刚度矩阵。

 2)材料时变  高层建筑结构通常采用钢结构与混凝土结构结合的形式，施工过程中钢结构的材料性能基本保持不变，但是混凝土的时间依存材料性能随时间不断变化。混凝土浇筑初期刚度为零，通过养护期间刚度逐渐形成，再经过一段时间之后刚度达到常规值，后期还会发生收缩徐变，体现了明显的材料时变特性。

 3)边界时变在结构建筑成型的过程中，结构的边界条件也会随着施工过程发生变化。如临时支撑胎架的卸载，随着临时支撑结构的脱离，整个结构内力发生重分布，体系也发生了变化。

 高层建筑一般层数比较多，而且规模大，并且还具有工期长的特点，施工过程漫长而复杂。高层建筑从设计、施工到最终交付使用，这个过程中结构体系经历了多个不同的阶段。由于大型复杂结构的施工过程是一个复杂的结构体系渐变的过程，施工过程结构体系从无到有、从简单到复杂、从局部到整体、从施工安装到整体竣工，结构的边界条件、几何形态、刚度以及受到的荷载也随着施工过程发生变化。这种变化呈现出时变的特性，施工过程是一个耦合了时间的过程。

 结构的内力变形在施工过程中是不断变化的。施工阶段因内力重分布导致整体结构内力变形的状态与理论设计中采用的将荷载一次性施加于完整结构上所产生的内力变形完全不一样。对整个建筑物模型进行一次性加载时，所施加的荷载会传递到尚未施工的上部楼层。很显然，这与实际情况是不符合的。因此必然会产生误差。实际情况中，包括自重在内的任意楼层的施工阶段荷载对上部楼层构件的内力是几乎没有影响的。

 鉴于高层建筑建造过程中的阶段性，采用不同的施工方案及控制方法，结构最终成型状态必然也存在差异，尤其表现在结构的内力变形上。换言之，结构的施工最终状态的内力变形不仅与施工的阶段性过程密切相关，而且同施工过程中所采用的施工工艺、方法也有重要的关系。

 总而言之，考虑到实际施工过程的存在，高层建筑结构终态的内力和变形与理论设计会存在很大的差异，并且这种差异不容忽视。

 如何更真实地反映结构在施工过程中以及施工结束后实际的力学性态，以保证高层建筑结构的安全以及施工过程中的安全与经济，就需要建立根据结构的力学状态和施工工艺建立相依的施工过程模拟模型，准确地计算模拟高层建筑施工过程中的内力和变形情况。

5  施工总体方案选择

 超高层建筑在施工前，应根据工程特点对施工技术的要点和难点进行分析。在此基础上制订相应的施工方案、施工技术路线。根据预定的施工方案，进行施工过程计算和施工模拟仿真分析。通过多个施工方案的模拟验算比较，最终确定满足施工过程安全、经济合理、工期短的最优或较优的施工方案。

 本工程东侧的悬挂体系，既有悬挑桁架，又有吊柱和斜拉杆，结构复杂，且悬挑跨度大，最长有15m，因此构件内力受施工顺序及荷载施加方式影响较大，为确保施工工期、施工精度以及施工完成后整体结构具有合理的力学性态，需要综合考虑各种因素对结构施工的影响，按照施工方案对结构的施工过程进行模拟分析。

 为了安装东侧悬挂钢结构，需要在结构施工过程中搭设临时支撑胎架，当主体结构施工到一定高度时，整体体系已经形成，此时支撑可以拆除，支撑卸载的过程就是结构内力转换和重分配的过程，由于支撑在施工过程当中受力较大，要想在确保结构安全的前提下，对临时支撑胎架进行卸载，并考虑工期，达到进行多个平面施工的目的，就必须对悬挂钢结构制定合理的施工顺序并采取合理的支撑拆除方案，确保荷载的平稳传递和转换。

 悬挂钢结构吊柱是整个结构重要的传力构件之一，悬挂体系的受力特点是当斜吊柱在结构顶层与主框架柱连接后结构才是完整的体系，体系的受力模式才会与计算模型一致。施工过程当中结构体系还未形成，因此需充分考虑施工过程当中对悬挂体系的内力影响，制定合理的施工顺序，确保施工过程当中悬挂体系的安全。

5.1  钢结构施工方案

 本节对悬挂体系钢结构进行施工验算，考虑到施工工期、施工精度以及结构施工过程中合理的力学性态，对整个结构拟用4种施工方案进行模拟安装，并对4种施工方案进行比较，选出最优的方案，使结构在建造过程中更加安全。

 1)方案1  首先于6～7层桁架下部吊柱对应部位设置临时支撑，然后安装悬挑桁架层；悬挑桁架施工完成后，继续安装以上楼层斜拉杆及楼面钢梁，钢结构临时支撑在结构安装至35层，继续对36～46层屋顶梁柱板施工，待结构封顶后进行卸载。卸载完成后方可浇筑楼板，随后将钢梁与斜拉杆做固接处理，最后进行幕墙施工及建筑装修。

 2)方案2首先于6～7层桁架下部吊柱对应部位设置临时支撑，然后安装悬挑桁架层；悬挑桁架施工完成后，继续安装以上楼层斜拉杆及楼面钢梁，钢结构临时支撑在结构安装至35层，完整受力体系形成后进行卸载。卸载完成后方可浇筑楼板，待结构封顶后将钢梁与斜拉杆做固接处理，最后浇筑桁架上弦楼层及斜拉杆与柱相交处楼层混凝土。此方案调整了安装顺序1临时支撑胎架卸载顺序，并考虑了对悬挂结构进行多个施工面同时施工。

 3)方案3  首先完成35层以下的钢结构安装，然后卸载临时支撑。随后连接斜吊柱与主框架柱的梁刚接焊接，使斜吊柱与整体结构形成整体受力体系。在此基础上完成其他的施工工序。具体安装顺序如下：搭设临时支撑→安装6~7桁架层钢结构→安装8~ 23层钢结构框架→安装24~26层桁架层结构→安装27~32层钢结构框架（楼板施工加0.5 k N/m2，留后浇带）→安装33～35层桁架结构（楼板施工加0.5 k N/m2，留后浇带，除上弦）→支撑卸载→主框架梁刚接焊接→7，26，35层楼板施工→36～46层屋顶梁柱板施工（含楼板加0.5kN/m2）→幕墙7 N17层施工→幕墙18~屋顶层施工→建筑装修（地面、吊顶，设计荷载0.5 k N/m2）。

 4)方案4首先安装悬挑桁架、吊柱和斜拉杆，然后卸载支撑，使斜吊柱在结构顶层与主框架柱连接后结构才是完整的体系。随后完成6～26层楼板浇筑及36~46层屋顶梁柱板施工并施工幕墙7~26层，以及幕墙27~屋顶层的施工。最后进行建筑装修。具体安装顺序如下：搭设临时支撑→安装6～7桁架层钢结构→安装8~ 23层钢结构框架→安装24~ 26层桁架层结构→安装27～32层钢结构框架（楼板施工加0.5 k N/m2，留后浇带）→安装33~35层桁架结构（楼板施工加0.5 k N/m2，留后浇带，除上弦）→支撑卸载→主框架梁刚接焊接→7，26，35楼层楼板施工→36~46层屋顶梁柱板施工（含楼板加0.5 k N/m2）→幕墙7~26层施工→27~屋顶层幕墙施工（按设计荷载）→建筑装修（地面、吊顶，设计荷载0.5 k N/m2）。

5.2施工方案结果对比

 图2为在4种不同施工方案下支撑点最大反力对比曲线；图3为4种不同施工方案下控制点最大位移对比曲线。对于方案1，最大位移发生在节点2593上，其位移值为35. 09 mm，最大反力发生在节点1694上，其反力值为2 390.14kN，最大应力比为0. 55。方案2中最大位移发生在节点2593上，其位移值为35. 10mm，最大反力发生在节点1694上，其反力值为2 056. 27kN，最大应力比为0.55。方案3中最大位移发生在节点2593上，其位移值为38. 97 mm，最大反力发生在节点1694上，其反力值为4 352. 17kN，最大应力比为0.6。方案4中最大位移发生在节点2593上，其位移值为39. 24mm，最大反力发生在节点1694上，其反力值为4 902. 13 k N，最大应力比为0.61。

 分析表明本文所采用的方案2支撑反力最小，方案4支撑反力最大；方案4的工期最短，方案1的工期最长；方案1控制点位移最小，方案4最大。

 通过对4种施工方案的对比分析，并且结合该工程的施工特点与难点，综合考虑施工工期、安全、工程质量、经济性，最终实际采用方案2进行施工。

5.3静力分析

 由于结构体型巨大，涉及到的单元和节点多，为了对结果进行简化，在模型中提取结构特殊部位的21个节点来监控结构的变形，其中恒荷载以及x方向风荷载的结构变形如图4所示。

 静力分析包括恒荷载、活荷载、风荷载的计算分析。结构的变形和内力可以通过图形查看的形式或者表格输出的方式输出，然后根据具体需要进行选择整理。由于结构本身的偏心和大悬挂钢结构，在竖向荷载作用下，悬挑部分的变形比较大，结构最大竖向位移达到45. 96mm；在风荷载作用下结构会产生部分扭转变形。

5.4 -次性加载与施工模拟分析对比

 根据拟定的施工方案对悬挂钢结构的施工过程进行模拟计算，将整个施工过程分为12个施工阶段进行模拟分析，施工步骤可参考施工方案。

 对模型的位移控制点在施工荷载和自重作用下各阶段位移变化进行分析，并将各个控制点位移同一次加载进行对比。控制点选在临时支撑与6～7层桁架支撑点等位置。

 节点位移分析一次性加载是在整个建筑结构施工完成以后，将恒荷载、活荷载、风荷载等对结构一次性施加。一次性加载模型计算时只形成一次整体刚度矩阵。

 按照所拟定的施工方案对固定屋盖结构在安装过程中的结掏安全进行施工模拟计算，将悬挂钢结构施工分为12个阶段进行模拟分析，施工步骤详见施工方案，计算结构在每个施工阶段的结构变形及受力。如图5，6所示。

 由以上数据对比可知：①最大位移发生在节点2593处，其位移值33. 8mm。出现在第12个施工阶段，也就是最后一步施工完成时。并且综合分析各个位移控制点的竖向位移变化趋势可知，随着结构逐步施工成型，控制点位移呈现出逐渐增大的趋势，在成型时达到最大值。②一次性施工加载分析方法与阶段施工分析方法位移计算值存在差别。由于计算机模拟分析都是基于理论情况下进行考虑，所以这种差别不是特别明显。但是随着实际施工过程中可能发生的各种不可预测的因素，这种差别会更大。

6  结语

 仁恒滨海中心（A标段）项目悬挂钢结构造型别出心裁，富有艺术表现力，结构体系复杂，传力方式特殊，施工难度较大。施工过程中结构体系还未形成，因此需充分考虑施工过程中对悬挂体系的内力影响，制定合理的施工顺序，确保施工过程中悬挂体系的安全。为此对悬挂钢结构施工过程制定了4种不同的施工方案，考虑施工工期、施工精度以及结构施工过程中合理的力学性态，对4种方案进行了对比，最终确定了实际的施工方案。对结构进行了一次性加载的静力学分析，同时与按照施工模拟的分析方法结果进行了对比，得出如下结论。

 1)针对仁恒滨海中心A标段悬挂钢结构的结构特点，结合工程实际对结构的施工全过程进行了施工模拟分析。通过模拟实际施工进程，考虑各种施工阶段影响，制定了4种施工顺序进行了比较。分析表明本文所采用的方案2支撑反力最小，方案4支撑反力最大；方案4的工期最短，方案1的工期最长；方案1控制点位移最小，方案4最大。

 2)通过对4种施工方案的对比分析，并且结合该工程的施工特点与难点，综合考虑施工工期、安全、经济性及各工种之间的协调性，最终实际采用方案2进行施工。

 3)钢结构施工过程的非线性分析能很好地反映实际的结构安装工作状态，对于大跨度钢结构构件预起拱的控制具有重要的参考价值。

 4)通过静力分析得到悬挂钢结构特殊部位的部分节点在不同工况下的变形，为实际工程提供了参考。

 5)考虑施工过程的结构内力大于一次性加载分析结果，其偏大的幅度在10%~40%，在结构设计阶段适当考虑施工过程的影响因素是必要的。