超高層鋼結(jié)構(gòu)施工復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)體系的研究

超高層鋼結(jié)構(gòu)施工復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)體系的研究

在高層設(shè)計(jì)中，建筑設(shè)計(jì)師注重創(chuàng)新的建筑形式（建筑造型、建筑功能）。一些傳統(tǒng)的建筑工藝無(wú)法滿足需求，因此需要對(duì)一些特殊的建筑工藝進(jìn)行準(zhǔn)確的開發(fā)和創(chuàng)新。依托澳門沐梵世酒店鋼結(jié)構(gòu)工程，研究介紹針對(duì)此工程研發(fā)的臨時(shí)支撐體系1外框鋼結(jié)構(gòu)異形框架組成澳門新濠天地沐梵世酒店項(xiàng)目主樓高160m，地下1層、地上42層。外觀的設(shè)計(jì)是組合式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，暴露的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)外骨骼扭曲在一起，建筑中間設(shè)有3個(gè)“水滴”造型孔洞，體現(xiàn)出優(yōu)美的曲線，呈現(xiàn)猶如抽象的數(shù)字“8”或雙環(huán)的形態(tài)（圖1、圖2）。采用雙體鋼筋混凝土核心筒、外框鋼結(jié)構(gòu)異形框架所組成的框筒結(jié)構(gòu)體系，為內(nèi)筒（鋼筋混凝土核心筒）外骨架（鋼結(jié)構(gòu)）高層結(jié)構(gòu)，兩核心筒中間由桁架、鋼骨架等鋼構(gòu)件連接，核心筒外設(shè)有不規(guī)則外露鋼骨架（主體承重結(jié)構(gòu)），塔樓兩核心筒中空部分21、23、29、39層設(shè)有鋼桁架層，鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約30000t。L00～L07層為一區(qū)，該區(qū)多為較重的不規(guī)則節(jié)點(diǎn)組成的鋼骨骼；L07～L23層為二區(qū)，該區(qū)塔樓的外側(cè)為2層一循環(huán)規(guī)則節(jié)點(diǎn)組成的鋼骨骼，塔樓中空部分為異形鋼骨骼；L23～L37層為三區(qū)，該區(qū)塔樓的外側(cè)為3層一循環(huán)規(guī)則節(jié)點(diǎn)組成的鋼骨骼，塔樓中空部分為異形鋼骨骼；L37至頂層為四區(qū)，該區(qū)為較長(zhǎng)桿件組成的規(guī)則鋼骨骼。外露鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)如圖3所示，異形結(jié)構(gòu)區(qū)域如圖4所示。2施工過(guò)程中臨時(shí)支撐體系的選擇沐梵世酒店項(xiàng)目3個(gè)水滴造型及3個(gè)桁架連廊部位，未形成完整結(jié)構(gòu)體系前無(wú)法自穩(wěn)定，需針對(duì)性設(shè)計(jì)施工過(guò)程中臨時(shí)支撐體系用于保障施工過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)臨時(shí)穩(wěn)定，考慮采用兩種支撐形式，二選其一。2.1空間立體支撐體系通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)雜的平面及立面桁架組成完整的臨時(shí)支撐體系，由地下1層直至地上39層，并在支撐體系中設(shè)置209個(gè)多種類型的托架，將雙核心筒間的復(fù)雜異形構(gòu)件及3道桁架的施工荷載傳遞至支撐體系上，保證施工過(guò)程穩(wěn)定。臨時(shí)支撐體系立面按照標(biāo)高分區(qū)為：基礎(chǔ)區(qū)L00～L06，范圍為1.800～38.817m；低區(qū)L06～L20，范圍為38.817～77.992m；中區(qū)L20～L28，范圍為77.992～110.492m；上部區(qū)域L28以上，范圍為110.492m以上（圖5）。平面按照功能分區(qū)為南側(cè)外塔支撐、中心支撐、北側(cè)外塔支撐，3個(gè)區(qū)域通過(guò)平面桁架相互聯(lián)系。采用平面立面空間立體支撐體系，其特點(diǎn)為使用受力較為合理的空間桁架系統(tǒng)，總質(zhì)量約3000t。優(yōu)點(diǎn)為單件構(gòu)件質(zhì)量較輕，拆除過(guò)程中可以解體為容易拆除的單根小構(gòu)件，便于人工拆除。缺點(diǎn)為桿件及截面形式數(shù)量眾多（工字鋼、角鋼、方鋼），體系復(fù)雜，安裝過(guò)程占用塔吊較多工作時(shí)間。2.2l00l06體系分區(qū)由φ609mm的鋼管組成管桁架支撐體系，由地下1層直至地上39層，支撐雙核心筒中間復(fù)雜異形鋼結(jié)構(gòu)及鋼桁架。單根支撐管承載能力較強(qiáng)，構(gòu)件數(shù)量較少，便于安裝（圖6）。臨時(shí)支撐體系分區(qū)為：基礎(chǔ)區(qū)L00～L06，范圍為1.800～38.817m；中區(qū)L06～L28，范圍為38.817～110.492m；上部區(qū)域L28以上，范圍為110.492m以上。采用大型鋼管支撐體系臨時(shí)支撐，其特點(diǎn)為使用多根鋼管組成支撐體系，單根支撐管承載能力較強(qiáng)，并可在L07層臨時(shí)支撐體系上搭設(shè)堆料平臺(tái)，可用于臨時(shí)堆放部分鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，減輕地面堆場(chǎng)的堆放壓力，總質(zhì)量約2000t。優(yōu)點(diǎn)為鋼管構(gòu)件數(shù)量少，整體安裝較為簡(jiǎn)便，安裝過(guò)程中占用塔吊時(shí)間少。缺點(diǎn)為單根構(gòu)件質(zhì)量大，拆除難度較大，主體結(jié)構(gòu)完成后塔吊無(wú)法協(xié)助拆除。2.3支撐體系選擇對(duì)比兩種臨時(shí)支撐體系，同時(shí)考慮本項(xiàng)目中整體施工進(jìn)度、施工費(fèi)用控制等，最終選取結(jié)構(gòu)形式較為規(guī)整，能夠提供高效鋼構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)支撐，拆除難度較小的空間桁架支撐體系作為最終整體臨時(shí)支撐體系。3托架系統(tǒng)設(shè)計(jì)臨時(shí)支撐體系選用空間桁架系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)與空間異形鋼構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)并無(wú)直接連接，需設(shè)計(jì)專用轉(zhuǎn)換托架，將構(gòu)件自重及施工荷載傳遞至臨時(shí)支撐體系上，保證施工過(guò)程結(jié)構(gòu)臨時(shí)穩(wěn)定。托架系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求：結(jié)構(gòu)輕巧，盡量做到人工能搬運(yùn)，不能過(guò)多占用吊車吊裝時(shí)間；能夠?qū)?gòu)件進(jìn)行x、y、z方向及轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)；待永久結(jié)構(gòu)形成完整體系后能夠進(jìn)行卸載作業(yè)；能夠重復(fù)使用。3.1整體總量較大，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜托架系統(tǒng)一具有較大承載能力，能夠較好滿足多向調(diào)節(jié)需求，但是整體總量較大，調(diào)節(jié)方式較復(fù)雜。該形式托架系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度較高，但是調(diào)節(jié)方式過(guò)于復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)占用太多安裝時(shí)間，故未大規(guī)模使用，目前僅作為試驗(yàn)（圖7）。3.2托架系統(tǒng)2托架系統(tǒng)二具有較大承載能力，能夠較好滿足多向調(diào)節(jié)需求，但是整體總量較大，調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單（圖8）。3.3托架系統(tǒng)3托架系統(tǒng)三具有較大承載能力，能夠較好滿足多向調(diào)節(jié)需求，能有效利用臨時(shí)連接板，無(wú)需改變永久結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單（圖9、圖10）。3.4四臂系統(tǒng)托架系統(tǒng)四具有極大的承載能力，能夠較好滿足多向調(diào)節(jié)需求，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜（圖11、圖12）。4臨時(shí)支撐體系計(jì)算模型臨時(shí)支撐體系計(jì)算分析涉及整體空間桁架體系計(jì)算及局部支撐托架系統(tǒng)計(jì)算。其中整體空間桁架體系計(jì)算，是通過(guò)建立支撐體系計(jì)算模型，并與主結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算模型整合，施加結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載及施工荷載，并分成不同施工階段計(jì)算來(lái)模擬實(shí)際施工狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算反饋結(jié)果再進(jìn)行支撐體系調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)臨時(shí)支撐體系安全、高效以及經(jīng)濟(jì)合理（圖13、圖14）。托架系統(tǒng)計(jì)算通過(guò)整體計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果得出的支撐節(jié)點(diǎn)反力，結(jié)合該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的托架形式，采用手算方式校驗(yàn)托架的安全性。5裝卸過(guò)程分析整體結(jié)構(gòu)共設(shè)置209個(gè)支撐托架，分布于3個(gè)“水滴”及桁架連廊周邊，據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，分成9個(gè)卸載步驟依次進(jìn)行卸載作業(yè)。卸載過(guò)程中，以位移控制為主，荷載控制為輔。每個(gè)卸載步驟分為4個(gè)循環(huán)進(jìn)行，每個(gè)循環(huán)卸載5mm，共卸載20mm（圖15）。由計(jì)算分析結(jié)果可以得知，單點(diǎn)卸載后的最大變形值為20mm，即卸載20mm后，理論上所有的節(jié)點(diǎn)皆能脫離托架。每個(gè)循環(huán)過(guò)程由標(biāo)高高的位置往標(biāo)高低的位置依次進(jìn)行。6異形構(gòu)件施工臨時(shí)支撐體系的施工意義澳門新濠天地沐梵世酒店鋼結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)體系