第十讲__超高层建筑结构施工控制（二）.pdf

第 3 3卷第 4期 Vol - 3 3 No ．4 建筑施工 B U I L D I N G C 0 N S T R U C T 1 0 N 第 十 讲超 高层 建筑 结构 施 工 控 制 二 Le c t ur e 1 0 C0 ns t r uc t i O n Co nt r o l o v e r Su pe r Ta l l B u i l d i n g S t r u c t u r e I I 口 胡玉银 上海建工集 团股份有限公司 2 0 0 0 8 0 【 中图分类号】 T U 7 2 ／ 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 1 1 0 4 0 3 3 6 0 3 续上期 3 施工控制目标 3 ． 1 施工控制总 目标 施工控制总 目标是确保超高层建筑施工和运曹安全， 以 及使用功能达到设计规定要求， 即确保施工过程中和运营期 间结构状态控制在极限状态之内。根据结构可靠性理论， 结 构极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态 两类。 施工控制总目标始终围绕确保结构状态不超过承载能 力极限状态和正常使用极限状态。 这两种极限状态涉及基本 力学变量是内力和变形， 因此超高层建筑结构控制总目标可 以具体为内力控制和变形控制两个基本方面。 把内力和变形 作为控制指标， 主要因为易于操作， 操作性强。 3 ． 1 ． 1 内力 控 制 承载能力极限状态是结构或结构构件达到最大承载能 力或达到不适于继续承载的变形的极限状态 ，具体表现为 1 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 如倾覆 等 ； 2 结构构件或连 接因材料强度被 超过而破坏 包括疲 劳破坏 ， 或因过度的塑性变形而不适于继续承载 3 结构 转变为机动体系； 4 结构或结构构件丧失稳定 如压屈等 。 内力是影响结构承载 力状态最重要的因素之一 ， 因此必须把 承载力控制作为施工控制的重要内容。一般而言， 设计对结 构承受使用荷载有全面分析和把握， 施工控制的重点是要通 过施工工艺创新和施工流程优化 ，控制施工产生的附加内 力。 由于附加内力的直接测量比较困难 ， 因此工程实践 中多 采用内力总量控制， 即通过设定内力限值来控制施工产生的 附加内力。 奥雅纳 A r u p 工程顾问公司在进行中央电视台新 台址主楼初步设计时， 就围绕确保超高层建筑施工和运营安 【 作者简介】 胡玉银 1 9 6 4 ～ ， 男， 工学博士， 上海建工集团副 总工程 师、技 术 中心主任 。联 系地址 上 海 市江杨南路 1 6 4 6号 2 0 0 4 3 1 o E ma i l h u y u y i n g s c g t c ． C O rn． c n 。 【 收稿日期】 2 0 1 0 1 2 1 6 全， 提出了结构内力控制总目标。设计以 悬臂拼装工艺” 为 例 ， 通过 各种极限工况施 工过程分析 ， 规定 了结构锁定 内力 的变化范围 ， 如 图 6 所示。 图 6 中央电视 台新 台址 大厦主楼结构锁定 内力限值 示意 3 ． 1 ． 2 变形 控 制 正常使用极限状态是结构或结构构件达到使用功能上 允许的某一限值 的极 限状态 ， 具体表现 为 1 影响正常使用 或外观的变形； 2 影响正常使用或耐久性能的局部损坏 包 括裂缝 ； 3 影响正常使用的振动 ； 4 影响正常使用的其它 特定状态。施工控制首先要确保结构施工完成后变形受控， 建筑功能正常发挥， 如电梯井的垂直度满足电梯正常运行需 要。另外施工控制还要确保结构 施工过程 中变形受控 ， 如平 面位置 、 标高 、 层 高及垂 直度 ， 以便 后续分 部分项 工程如幕 墙、 电梯等Jl J 施工。因此变形控制目标既要满足施工过程 中各分部分项工程密切配合 装配 需要， 又要满足施工完成 后建筑工程正常使用需要。 变形控制目标应当根据这两者需要， 综合考虑经济社会 发展水平合理确定。变形控制目标要适中， 控制目标过高将 极大增加施工技术难度和建造成本 控制目标过低将严重影 响施工顺利进行和建筑工程正常使用，同样会造成经济损 失 ， 都是需要注意避免的。变形控制目标应在国家有关结构 施工质量验收规范的基础上 ， 根据工程实际情况， 由设计和 施工等相关各方工程技术人员共同确定。 奥雅纳 A r u p 工程 顾问公司在进行中央电视台新台址主楼初步设计时， 就围绕 确保施工顺利进行和建筑功能正常发挥， 提出了结构整体形 态 变形 控制总目标 当结构施工完毕， 幕墙及装修工程结 束， 且活荷载未施加状态时结构整体形态应该达到结构图设 胡玉银 第十讲超高层建筑结构施工控制 二 第 4期 绝对水平误差 迈 二 一 确 相对水平误差 图 7 中央电视 台新 台址大厦主楼结构几何 形态偏 差限值 计形态， 结构几何偏差限值如图 7 所示忉 。 3 - 2 施 工控 制 目标分解 控制重在过程 ， 只有过程受控， 施工控制目标才能实现。 要对超高层建筑施工过程进 行控制 ， 就必须将施 工控 制总 目 标按照施工关键工况进行分解 ， 成为可以直接指导施工的阶 段目标 ， 即通过施工过程仿真分析， 建立适应施工全过程控 制的目标体系。 超高层建筑结构复杂， 施工环节多， 施工过程仿真分析 涉及的力学模型、 材料特性和边界条件都是随施工进展而变 化的， 大大增加了施工过程分析难度 ①结构体系时变。 结构 施工是结构体系形成和完善的过程， 施工过程中， 结构体系 随 时间不断 变化 ， 既有构件 的增加 结构 安装 ， 又有构件 的 减少 临时结构拆除 ， 还有构件 力学性能的变化 后张拉结 构施加预应力 ； ②结构材料时变。 施工过程中钢结构的材料 力学性能是比较稳定的， 但是混凝土的材料力学性能则会随 时间变化 ， 特别是浇捣刚完成不久， 混凝土的强度性能和变 形性能变化都比较大 i ③边界条件时变。施工过程中结构的 边界条件经常会发生变化 ， 如临时支撑的安装和拆除就会引 起结构边界条件变化 。 目前超高层建筑施工过程仿真分析多采用有限元法。 有 限单元法是用有限个单元将连续体离散化 ， 通过对有限个单 元作分片插值求解各种力学、 物理问题的一种数值方法。结 构施工过程仿真分析按照仿真流程分为前进分析和倒退分 析， 所采用的基本方法是正装分析法和倒装分析法。正装分 析法是按照结构实际施工加载顺序来分析结构受力与变形， 得到各关键工况控制目标； 而倒装分析法则是从结构施工完 成后理想状态出发， 按照与实际施工次序相反的顺序 ， 逐步 倒退计算而得到各施工阶段的控制参数 控制目标 。 倒装分 析法适用于形式简单的结构工程， 而不能满足超高层建筑工 程施工过程仿真分析， 这是因为超高层建筑中混凝土的力学 性能 如徐变 与加载历程有关， 倒装分析法难以真实反映该 情况 。 经过工程技术人员的长期努力， 发展了许多功能强大的 商业有限元分析软件， 如 A N S Y S 、 S A P 2 0 0 0 等都具有结构施工 过程仿真分析功能，能够模拟结构施工过程中结构体系、 材 料特性和边界条件的时变现象。 如采用单元“ 生死” 法模拟结 构构件装拆过程。其基本思路为 一次性建立结构完整的有 限元模型 ， 然后把所有单元“ 杀死” ， 再按照施工步骤逐步“ 激 活” ， 并施加相应施工步的荷载， 即可跟踪分析施工过程中结 构的内力发展和变形变化的规律。 4 施工控制技术 超高层建筑结构施工控制内容主要有 平面位置、 绝对 标高、 转换桁架 悬臂桁架 挠度、 外伸桁架附加内力。 4 ． 1 平面位置控制 为追求建筑效果，有些超高层建筑并非垂直向上建造， 而是倾斜向上建造的， 如中央电台新台址大厦主楼和西班牙 马德里欧洲之门。这些超高层建筑在建造过程中， 结构因为 自重作用而产生竖向和水平向的变位。斜塔结构受重力作 用， 完成状态与安装状态的平面位置会发生较大偏差， 必须 采取措施使结构的完成状态与设计理想状态的平面位置基 本吻合， 确保后续施工能够顺利进行， 建筑功能不受影响。 斜 塔结构平面位置控制主要有三种方法 加劲法、 预偏置法和 预 应力法。 4 ． 1 ． 1 加 劲 法 斜塔结构平面位置变化受多种因素影响， 其中结构抗侧 向荷载的冈 4 度是非常重要的因素， 因此可以通过提高结构抗 侧向荷载刚度来控制结构在重力作用下的平面位置偏移量 挠度 。 该方法属经典方法， 简单易行 ， 因此是结构设计中普 遍采用的施工控制方法。但是该方法单独运用效果比较差， 效率低、 成本高， 必须与其它施工控制方法结合使用， 效果才 显著。 4 ． 1 ． 2 预 偏 置 法 借鉴梁或悬臂梁几何线形控制的经验， 在结构安装的过 程中， 有意识的将构件向变形相反的方向偏置， 偏置量等于 结构受载后的平面位置变化量 ， 这样就可以保证结构的完成 状态与设计理想状态吻合，从而达到平面位置控制的目的。 该方法属经典方法 ， 简单易行， 效率高、 成本低， 因此应用非 常广泛。该方法的缺点是结构一旦成形 ， 就难以修正几何线 形 ， 因此可控性比较差。 元变形控制 b 实施位移控制技术 图 8 预偏 置控制技术原理 4 ． I ． 3 预 应 力 法 3 3 7 ／fff． ． ． ． ． ． ． 一 ． ． ． ．．．．． 蓑 _ ．．．． |f ． ． ． 耽 皤 ．．．． 一 ． ，．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． f ．．．． ．．．．．． ．． ．．．． ．．．．．． 宾 ／ ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ， ． ， ． ． ． ．． ． ． ，。 胡玉银 第十讲超高层建筑结构施工控制 二 第 4期 后浇捣 2层至 5层 混凝土 ； 完成地 下混凝 土墙浇捣 ； 全 部张 拉地 面层 预应 力 ； 2 0层钢 结构校 正 固定后立 即安装压 型 钢 板 。 Rc x “ - - - - - - - J 1 B 2 5 一 P 1 t 姆e 、P 1 聋g 萨 外立面 室内立面 图 1 8 预应 力第一 次张拉 ’ 阻面 室内 立 面 以下顺序部分施加预应力 2 1 层、 2 2 层 ⋯⋯。 图 1 5 钢结构安装 至 2 0层 6 钢结构安装至 2 5层 图 1 6 浇捣 2 0层混凝 土 ， 然 后浇捣 7 层至 l 2 层 混凝土。 硅 I件 稿 ． L E ＼ 营 匕 ’ ’ _ I ； ； 外立面 室内立面 图 1 6钢结构安装至 2 5层 7 钢结构安装完成 图 1 7 浇捣 2 5 层混凝土 推荐 或安装 2 5层临时楼面支撑，然后浇捣 1 4层至 1 9层混凝 土 。 二二 ＆ 审 l 、 、 l、 1 、 图 1 7 钢 结构安装完成 8 竖向后张拉预应力第一次张拉 图 1 8 浇捣 2 5层 混凝土 ； 浇捣核心筒混凝土至顶 ； 部分张拉竖向后张拉预应 力 开始安装幕墙 ； 2 5 层大部分机 电设备就位。 9 完成楼层混凝土浇捣 ， 继续施加预应力 图 1 9 继 续安装幕墙； 浇捣 2 1 - 2 4 、 屋面及直升机停机坪混凝土 按照 r 2S 一 一 ～． 竺 l 一 一悻 l _ 一E 一 一 ＼ L 一一 ’ 一 I 爿． 1 ． 外立面 室内立面 图 1 9继续施加预应 力 1 0完成幕墙安装及预应力张拉 图 2 0 继续安装 幕墙至完成 ； 在幕墙安装过程中根据确保建筑垂直度需要逐 步施加预应力 ； 校正 电梯轨道 ； 完成内装饰 ； 完成预应力张 拉， 确保施工完成时建筑的垂直度。 外立面 室内立面 图 2 O 完成幕墙安 装及预 应力张拉 下期待续 参考文献 【 7 ]A m p建筑设计事务所． C C T V新台址建设工程主楼钢结构分析 报 告 ． 【 8 J8 胡玉银 ， 李琰 ． 超高层建筑转换桁 架施 工控制技 术． 建筑施 工， 2 0 1 0 ， V o l 2 7 6 0 6 0 8 ． 3 3 9 巍