浙江省建筑规划设计研究院
浙江建筑职业技术学院
概括
超高层、异型钢结构或钢-混凝土组合结构不仅在结构使用阶段受力十分复杂，在施工过程中变形和受力也特别复杂。本工程为形状特殊的钢框架-核心筒结构，斜桁架结构较多，结构顶部通过水平构件与对面的巨型桁架或核心筒牢固连接，形成“巨型结构”。在整体结构合拢前后，钢桁架各主要构件受力形式有很大差异。因此，考虑到竖向构件及对应楼板按常规顺序逐层施工，斜钢桁架需先拼装到位，在整体结构成型后拆除临时支撑，施加重力荷载。另外，由于核心筒与桁架竖向刚度差异较大，两者竖向变形差异导致与核心筒连接的构件内力较大。为此，设计在参考超高层悬挑桁架的处理方法后，采取“放松”的手段，即对靠近核心筒的构件采用后固定、后安装的方式，以减少竖向变形差带来的不利影响。为减少结构在施工过程中产生的初始变形和内力，达到上述“放松”的要求，根据受力要求，结合施工的可行性和经济性，设计了精确模拟和简化模拟两种施工组装方案，并利用有限元程序SAP 2000进行计算比较。精确模拟方案指严格遵循施工顺序，充分考虑构件组装过程中的变形和应力，并在最后的内力计算和变形控制中累计起来；简化模拟指在计算模型中一次成型大部分构件，重点分析部分构件的后安装、后固定对整体结构及相关构件的影响。两种方案的主要区别在于：方案A考虑了新组装的钢桁架在施工完成前的一段时间内处于悬臂状态，而方案B没有考虑这部分影响。
以典型钢桁架为例，对两种方案的内力及节点位移计算结果进行分析比较。由于本工程施工方案的特殊性，设计时对计算模型及参数进行了特殊处理，以实现对施工方案中部分步骤的准确模拟。
结果表明：两种模拟方案在最终状态下的内力和变形无明显差异，变形形态和内力分布相似，且大部分构件最终状态下内力的变化幅度小于3%。结合分析结果，在保证计算精度的前提下，选取简化模拟方案，以提高分析效率。
超高层、异型钢结构或钢-混凝土组合结构不仅在结构使用阶段受力十分复杂，而且在施工过程中的变形和受力也特别复杂。这是因为施工过程是一个动态过程，结构构件受力变化、荷载变化等因素都会导致结构受力与计算分析不一致，从而引起结构受力状态偏离设计状态。
对于施工过程中可能产生异常变形的钢结构，可以采用一定的模拟方法，对拟定的施工方案在整个施工过程中进行跟踪分析，合理、准确地判断施工过程中结构内力的发展和变形的变化，并根据分析结果提出结构变形的预调整值。但对于钢-混凝土组合结构，情况就比较复杂。本文对一种特殊的组合结构的施工方案进行研究，对该建筑的施工进行模拟分析，提出合理的施工方案，可为该类结构的施工变形控制提供参考。
1 项目概况
项目位于浙江省杭州市余杭区仓前街道，地块东临创景路，西临蜀新路，南临相望街。规划总用地面积17634㎡，地上建筑面积88170㎡。地上共有1至3号楼，其中1、2号楼位于用地西侧。建筑在规划意义上为两栋建筑，但在结构上属于一个整体。结构主屋面高度95.8m，地上总建筑面积约44740㎡。
1、2号楼底层平面呈矩形，外轮廓线长98.3米×53.6米，自第2层开始，南北两端逐渐内缩并在顶部衔接，最终形成外立面由6面组成、内部镂空的特殊建筑形态，如图1、图2所示。
图1 建筑模型及效果
图2 底层建筑平面图（mm）
1、2号楼结构以平面质心为中点，采用反对称布置，主要由东西向布置的4个混凝土核心筒、两堵混凝土墙和12个巨型钢桁架组成，构成钢框架-核心筒结构体系。1、2号楼两个大核心筒延伸至结构顶部，由于平面逐渐后退，3、4号楼两个小核心筒在10层缩减为两堵钢混凝土墙，并逐步转换为巨型钢桁架。③、⑩轴两堵混凝土墙在6层转换为巨型钢桁架。由于建筑功能的需要，部分斜桁架转换为竖截面时，取消斜腹杆，代之以钢框架。整体模型及各巨型钢桁架结构立面如图3至图5所示。
图3 1号楼和2号楼底层垂直构件布置图 mm
图4 核心筒及巨型钢桁架三维视图
a—①轴线结构立面图；b—②轴线结构立面图；c—③轴线结构立面图；d—④轴线结构立面图；e—⑤轴线结构立面图；f—⑥轴线结构立面图；g—⑥—⑦轴线结构立面图。
注：①-⑥轴、⑦-12轴结构为反对称。
图5 各巨型钢桁架结构立面图
2.施工方案选择
前文提到钢结构安装论文，本工程中有多处巨型钢桁架呈对角布置，桁架顶部通过水平构件与对侧巨型桁架或核心筒进行强连接，协同受力形成“巨型结构”。这种特殊的结构形式决定了在顶部接头闭合前，若无合适的临时支撑，钢桁架对角截面在重力作用下处于悬臂弯曲状态，与接头闭合后的受力形态有很大不同（图6），这将使结构构件产生明显的初始变形和内力，对构件截面设计和安装精度控制产生不利影响。
a——结构闭合前中间状态；b——结构最终状态。
图6 不同阶段“刚架”的应力分布图
因此设计初步拟定了施工方案的总体思路：竖向构件及相应楼板可按通常顺序逐层施工，而斜向钢桁架则需先拼装到位，待整体结构成型后再拆除临时支撑并施加重力荷载。但如果施工过程中需要在桁架下方搭设全高脚手架作为支撑，则工程措施成本十分高昂，且地下室顶板也将承受较大的施工荷载。
较为可行的方案是在斜桁架拼装过程中逐步设置点支撑，以减少逐层拼装过程中钢结构自重对结构初始内力的影响。临时支撑点尽量选择在与地下室柱对应的位置，以便有效控制临时支撑施工量及顶板施工荷载。
此外，计算过程中发现，由于核心筒与钢桁架竖向刚度差异较大，二者在重力荷载作用下产生明显的竖向变形差异，导致与核心筒相连的桁架构件及连接节点产生较大的内力。参考超高层框筒结构中悬臂桁架的应对措施，采取“放开”的思路：对靠近核心筒的构件采用后固定、后安装的方式，以减少局部结构变形差异带来的不利影响。
在上述总体思路下，以②轴线结构立面为例，设计整个施工过程的实施方案，如表1所示钢结构安装论文，各施工阶段如图7至图10所示。
表1 各建设阶段实施细节
a—施工阶段 1；b—施工阶段 2。
图 7 施工阶段 1，2 毫米
a—施工阶段 3；b—施工阶段 4。
图 8 施工阶段 3，4 毫米
a—施工阶段 5；b—施工阶段 6。
图 9 施工阶段 5, 6 毫米
a—施工第 7 阶段；b—施工第 8 阶段（最终完成状态）。
图 10 施工阶段 7、8 毫米
3.施工方案在计算程序中的实现
3.1 SAP 2000程序中的实现与计算比较
设计采用SAP 2000（V19）进行计算，对比了精确模拟和简化模拟两种方案的施工过程，两种方案的区别如下：
1）精确模拟方案（方案A）严格遵循上述施工顺序，从第1阶段至第8阶段逐步分析，充分考虑构件组装过程中的初始变形与应力，并在最终的内力计算与变形控制中累积。
2）简化模拟方案（方案B），将方案A中的1~6施工阶段合并为一个施工工步，然后对后续的7、8施工阶段进行分步分析。即在计算模型中大部分构件一次性成型，重点分析部分构件的后安装、后固定对整体结构及相关构件的影响。
两种方案的主要区别在于：方案A考虑钢桁架在第2阶段和第4阶段组装完毕但后续临时支撑尚未跟进时，新组装的钢桁架处于悬臂状态，在钢构件自重作用下会产生初始变形和应力并累积至最终状态，而方案B并未考虑此影响。选取较为典型的轴向和轴向钢桁架进行计算对比（图11），主要结果见表2、表3和图12、图13。
a—①轴线钢桁架；b—②轴线钢桁架。
图 11 桁架立面和构件编号
表2 两种模拟方案节点位移对比
注：以上位移单位均为毫米 (mm)。
表3 两种模拟方案杆件内力对比
注：内力比为方案A、B的内力差值与方案B的内力之比。
a—计划 A；b—计划 B。
图12 ①轴向钢桁架两种模拟方案轴力对比
a—计划 A；b—计划 B。
图13 轴向钢桁架两种模拟方案轴力对比
从以上对比可以看出，两种模拟方案在整体结构最终状态下的内力与变形无明显差异，变形形态和内力分布相似，且大部分构件内力变化幅度小于3%（最终状态）。
在重力荷载作用下，斜桁架下部从受力形式上看为压弯构件，对于桁架底部而言，上部结构传递的总弯矩为逆时针方向，因此从图13中可以看出内弦杆（杆件3）的轴压力远大于外弦杆（杆件4）。由于方案A桁架部分在拼装过程中处于向内弯曲的悬臂应力状态，弯矩引起的内外弦杆轴压力分布不均现象更为明显。
由于杆件4总轴力较小，因此两种方案内力差异较方案B较大，而内弦杆3轴力较大，因此差异较小。在实际工程使用阶段，两种施工模拟方案下，杆件4轴力的变化对杆件应力比影响不大。
因此，提出的施工方案可有效简化异形钢结构在安装过程中的施工措施，并在满足工程计算精度的前提下，将计算过程中的1~6施工阶段合并为同一施工步骤，简化了施工分析流程，提高了分析效率。
3.2 在PKPM程序中的实现
通过以上SAP 2000的对比分析可知，方案B的计算精度基本可以满足工程设计的需求。在后续的构件承载力设计和整体结构规整性验证中，设计采用PKPM 2010（V3.1.6）中的SATWE模块，对方案B进行模拟计算。
由于施工方案的特殊性，计算前需要对计算模型和参数进行特殊处理，才能实现对施工方案中某些步骤的准确模拟。
1）部分恒载后加荷：由于上述施工方案中部分构件需在临时支撑拆除后安装，因此需在后期实施楼面附加恒载。为了在PKPM程序中准确模拟此施工过程，设计中先将重力荷载分为结构构件及楼板自重（DL1）、隔墙自重（DL2）、楼面附加恒载（DL3）和活荷载（LL）。计算中将楼面附加恒载（DL3）计入楼面活荷载（LL）中，并调整各基本组合中活荷载重力荷载代表值与恒载、活荷载分项系数的组合系数，确保最终荷载组合值与规范一致（表4）。经核实，结构总恒载约672600kN，其中楼面附加恒载约131900kN（占原总恒载的20%），总活载约146500kN。将楼面附加恒载计入楼面活载后，总恒载为540700kN，总活载为278400kN。临时支撑拆除、后装构件全部安装完毕后，将施加活载。主要荷载组合系数调整见表4。由于本工程于2016年完成设计，荷载组合系数按2016年现行规范执行。
表4 重力荷载代表值组合系数调整
2）杆件端部先铰后固定的实施：通过预先设置刚性短杆实现先铰，然后按规定的施工步骤完成短梁、拆除刚性短杆，实现梁端部先铰后固定，如图14所示。
a—通过设置刚性短杆将钢梁端部铰接；b—在钢梁端部增加一根等截面短梁，梁端刚性连接；c—去掉刚性短杆，将内力分布到短梁上。
图 14：在 PKPM 中固定之前实施铰链组件末端
对于一些后期安装的组件，可以通过在程序中为组件单独定义具体的施工步骤来实现准确的模拟。
通过以上措施，设计基本实现了PKPM中预定的施工装配计划的准确模拟，并顺利衔接了后续超限设计相关计算分析。
3.3 安装地点
该项目于2019年6月开始进行地上钢结构安装，至2021年6月，历经两年时间，主体结构安装基本完成，主要施工节点现场情况如图15至图18所示。
图15：桁架临时支撑安装及桁架悬臂分段组装
图16 拆除临时支撑
图 17：需要组装的后部安装组件
图18 主体结构基本顶部连接
4 结论
本项目为钢框架-核心筒结构，建筑体型特殊，其特殊的结构形式给结构设计、施工安装、计算分析带来一定的挑战。
1）在施工安装顺序上，将一些对变形差异较敏感的构件后安装，以减少竖向变形差异对其内力产生的不利影响。
2）临时支撑布置及构件组装方案，采用分段支撑、分段组装的方法，减少施工过程中产生的结构初始变形与应力，在有效控制施工措施成本的同时，提高钢构件安装效率。
3）计算过程中，通过对比精确计算与简化计算两种施工模拟方案的计算结果，对部分施工步骤进行了适当的简化与合并，在满足工程计算精度的前提下提高了分析效率，为类似结构体系的施工模拟方案提供了参考。
来源：何善江, 徐为民, 余春春, 刘斌. 某异形钢结构安装方案研究及分析模拟[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(11): 20-27。
doi: 10.13206/j.gjgs23052301
