超高、超长建筑结构设计若干关键技术(傅学怡)

超高、超长建筑结构设计若干关键技术（傅学怡）中建国际设计顾问有限公司总工程师傅学怡我给大家介绍一下最近我们做的项目中我觉得一些比较关键的技术，主要讲三个内容：一是新高规即将颁布了，其中有一条，在做动力弹塑性分析前，必须要做施工全过程模拟，带着这样一个比较符合实际的重力荷载的工况和状态，进入弹塑性分析。

我在这里讲一下施工全过程模拟与施工控制，以中钢国际广场为例。

二是重力荷载下长期变形以及长期变形的控制，以平安国际金融中心为例。

三是超长结构的温度收缩效应分析与控制，以已竣工的深圳北站为例。

案例：中钢国际广场中钢国际广场将近40万平米，主楼84层，358米，主要特点是在下部1/2高度以下采用六边形编制的窗洞构成外网筒结构，建筑师不允许里面再加柱子，针对六边形外网筒结构我们做了一些工作，下面我把结构构成的情况跟大家说一下。

我们有内筒，底下的厚度是1.15米，到了上面变成500，现在做住宅，只要有楼梯、有电梯都是混凝土墙去封，但是超高层这么去封是不合理的，因为自重就很大了，所以我们把墙相对的集中、对称，同时受力、延性、承载力等方面都会有所改善。

内筒的构成跟国贸三期一样，采用内层钢板，但内层钢板在设计上已经有预留在钢板两翼的混凝土连接的预留孔，预留孔里要放构造、穿芯钢筋，同时钢板上要布置栓钉，栓钉按照钢板剪力墙的主应力，在主应力方向多配，应力小的部位少配。

整个结构的构成，上部是矩形钢管的菱形网格，中部是一个过渡，下部是六边形，上部菱形是酒店，每个房间的窗户正好在中间，窗户上没有构件，下部是六边形网格。

楼面环梁有两种类型，主要是根据建筑的需要，类型1要往里退，玻璃窗才能装。

我们在六边形网筒上做了两件事情，第一件事情是角部斜柱，正六边形应该都是120度，这里把它放大到130多度，它跟直线的夹角改为18度，可以节省钢材，改善受力，这些都经过详细论证。

第二件事是把非楼面横梁做了刚度的优化，国外没有已建工程，但有这方面的方案，六边形是六条边相等的，我们做的是不等的，这里包括两个不等，一是夹角到角部扶正，二是在六边形横梁上刚度适当弱化，六边形横梁相当于剪力墙的连梁，主要是传递水平力，不传递竖向力，因此给它适当地弱化，有利于提高整体结构的延性，同时不改变结构的受力性能。

钢梁是内外筒铰接，外筒和内筒承担的水平力和重力基本上五五开，钢梁铰接，楼板通过栓钉连接，这是模态计算的结果，周期大概是5.9秒，我们算下来过了6秒，在天津地区位移限制就有一点困难，早晨魏总讲到位移和周期的关系，是有一定关系的，我们做了其他的工程，也是注意这个问题。

这是主要振型，可以看到结构的扭转非常好，因为外筒的刚度大。

我想讲一下在中钢这个项目中，我们觉得比较重要，而且技术效果、经济效果比较好的创新点，对于这样一个六边形的网筒，大家都知道，在水平荷载倾覆弯矩的作用下，主要的倾覆弯矩产生的轴力都要跑到角部，因此角部的斜面刚度截面承载力要比中部增大，在这种情况下，由于六边形横梁的跨度非常小，大概是2米多。

六边形结构一个基本点就是必须钢结构，就像早上讲的水立方，在这样的结构上也必须刚接，不刚接，这个结构下沉变形非常大，竖向刚度很弱。

一刚接，带来的问题就是重力荷载的传力不直接，就是由于六边形角部斜柱的截面刚度大于中部，使得中部的重力荷载往角部转移，当我们把角部斜柱的截面加大，转移的就更多，这就是死循环，很难进行设计。

在这种情况下我们就想到了一个措施，能否采取施工措施，把50%以上的结构自重产生的应力不让它转移，来改善六边形网筒结构关键部位构件的承载性能，因为它这部分受的力小了，应力降低了，就为这部分斜柱抵抗中震、大震、风荷载时承受倾覆弯矩留了余地。

我们采取两条措施：第一条措施是跟角部斜柱相连的最后一道楼面水平梁，我们把它两端后接，切断重力荷载传递到角部区的途径；第二条措施是因为上部如果不用措施，上部交叉网筒，因为一部分截面大于另一部分，刚度也是一大一小，力还是要角部转移，我们在过渡区顶部的8根柱子采用后接，把交叉网筒上部40层的重力荷载变到中部去，这两条施工措施有点类似伸臂覆杆后桩措施一样。

对应这个施工措施，我们必须要进行非常慎重的计算分析，第一个分析就是分析它的变形，第二个分析是施工措施对应的施工阶段的结构稳定性和承载力。

我们分析它的变形，可以看到随着下面往上走，竖向位移在增大，最大可达6公分左右，因为你切断了，角部斜柱受的力很小，中部就要往下沉，我们指的位移差是指角部斜柱和中部斜柱后装两点之间的位移差。

根据这个位移差，根据它的竖向位移和水平位移，我们要设计特殊的连接节点，这个钢梁我们是切断，所谓切断并不是施工阶段不装，还是装的，只是我们留出间隙螺栓和间隙，通过间隙螺栓和间隙适应变形，然后等到主体结构封顶再进行连接。

这是我们进行的变形分析以后的节点的变形分析，算出间隙螺栓的孔的直径，算出连接板和钢梁之间的间隙，保证变形可以相融。

其中大家可以看到，我们不是把钢板直接跟柱子接，而是在施工时伸出一个悬臂端，我们称之为“零应力段”，因为一个结构已经生成了，在主结构上动会影响结构的安全，同时也会造成结构的内伤，我们都是采用“零应力段”，大家将来在做工程时这一点要特别当心，我们做大跨度结构，后做的东西必须要有“零应力段”来做后接措施。

主体结构完了以后，这个地方采取贴板连接构成，来承受后期的荷载。

由于中部的斜柱要有下沉，等到施工完了以后，楼面就不平了，这是影响使用的，因此我们就提出了进一步的控制技术，即中部结构在施工时给它一个预留高度和中部斜柱的预留构件长度，在施工图时就把这个说清楚，等到以后上部结构上去，标高预留后，正好两端平了，否则中间就塌下去了6公分，这边角部斜柱不下去，楼板是不好接的。

这样做完以后，整个结构就满足了使用要求，同时我们结合楼面的后浇带，在断的后接的钢梁两边设了楼板的后浇带，让它变形相融，所以整体结构的变形与相融包括了楼板的相融、构件的相融。

第二个施工措施是把上部开掉后装，后装这部分的变形差异主要来自于下部，包括刚才算的上部的荷载，两点之间有竖向位移差，根据竖向位移差，根据转角变形的影响，我们进行拼接段的缝的设计和以后再连接的措施，这个地方拿掉的斜柱并不是施工的时候没有，施工照样装上了。

看一看采取措施以后杆件的应力对比，不采取措施和采取措施，重力荷载项、角部倾柱的轴力自重，产生的轴力弯矩可以有40%左右的下降，这个40%左右的下降是指结构自重之下的，正因为它的下降，从而为结构的抗震、抗风提供了可能，为结构的良性设计提供可能。

角部下降了，中部会有所增加，增加了好不好呢？好，结构受力更加均匀。

施工阶段的稳定，按照这样的施工过程，我们做了全过程结构的稳定性分析和承载力验算，同时我们考虑了10年一遇的风荷载，来进行施工阶段结构的验算，我讲这些东西的含义不能都交给施工单位，施工单位一个模型算完了，死循环，搞不定，交给施工单位是不对的。

第二，重力荷载下长期变形分析控制。

以平安国际金融中心为例，平安国际金融中心的高度调整了，他们想做中国第一高楼，刚才我在下面听他们讲的时候没吱声，现在塔楼的屋面高度是597米，天津117大厦是596米，但业主有这样的要求，塔端高度调到660米，原来是648米。

主体结构的体系基本上是杂交的结构体系，矩形框架加斜撑、核心筒、伸臂，带状桁架九道+带状桁架之间的斜撑，这是矩形框架的基本构成。

第二个构成是斜撑在施工阶段要释放，否则斜撑就会吸收比较多的重力，因为这个点和这个点竖向在重力荷载下有变形的差异，虽然一部分着力会从柱子走，但也有一部分着力会走到斜撑里，我们希望斜撑的工作状态是重力下应力为零，水平递增，风底下受力，就像连梁一样，这样的结构是比较合理的，传力也比较清晰，结构是往好的方向走的。

伸臂一共做了四道，等会儿我要讲到长期变形对伸臂的内力是有影响的，由于长期变形的发展，核心筒和矩柱的着力是在发生改变的，设计时要考虑到安全度。

这是核心筒内部的布置，和中钢一样。

这是核心筒和周边结构的关系，粉红色的是比较新的，也是KPF建筑师提出的，做了一个空间的V形撑，来解决角部重力的局部转移，同时实现一定的解决水平荷载下从覆板往地缘转移的过渡工作，它起到两个作用。

下面讲一下竖向变形长期分析：施工模拟还有重要的两点，我把它简称逐层找平和逐层找正，没有逐层找平、找正，谈不上后面的标高预留和构件长度预留。

找平和找正是任何施工单位都必须做的，在施工过程中，结构在压缩，必须要找平和找正。

同时考虑混凝土的收缩徐变，从刚开始施工开始，一个一个时间节点往下走，算到50年。

这50年是这样的，施工进度是6天一层，即6天一个时间节点，设备及避难层是10天一层，即10天一个时间节点，然后还要考虑到巨柱滞后、楼板同步与滞后、结构安装，这张表就是我们计算整个结构长期变形的时间节点图。

混凝土收缩徐变，我们用欧洲规范，中国规范目前在这方面不是很成熟，我们查了桥梁，它们计算也是用欧洲规范。

同时考虑含钢率，含钢率在里面大概有20%~30%左右的影响。

因为结构基本对称，重力荷载下对称性还可以，我们就考察核心筒的角点和矩柱，竖向累积变形50年以后最大的变形大概是20公分，其中各个楼层的竖向变形是不同的，底部楼层等于零，顶部由于我们逐层找平、逐层找正，施工阶段变形很小。

中部很大，但是随着时间的推移，混凝土的徐变和收缩不断地进展，后期上部的变形会下来。

这是我们截出来的主要变形图，从该图可以看到几条：一、使用1年基本上和使用20年、30年差别很小，基本上是80%以上，因此我们后面提到的层高预留和构件长度预留都是以一年为准，我们反算过这个方法，一年以后就是达到原设计标高。

可以看到在前期、后期，徐变收缩和弹性变形所占的比例，核心筒的徐变收缩所占的比例会大，因为矩柱的含钢率是从6开始，到4，核心筒的含钢率大概是在2左右。

它们的应力水平，我们控制基本是接近的，但因为含钢率的不同带来不同。

正因为这样，矩柱的核心筒竖向是有变形差的，这个变形差各层、各年都不一样，部位也不一样，我们捕捉了最大的变形，发现对伸臂结构产生的附加应力最大可达14%。

与此同时，底部矩柱的着力，由于它的含钢率高，会随着时间的推移有所增加，核心筒会有所减小，所以矩柱的设计要留有余地。

在矩柱里面的型钢和混凝土，考虑了徐变收缩以后，型钢应力要增加，混凝土应力会退化，这些都需要复核。

楼层标高施工预调：我们已经让施工逐层按设计标高走，但是整个结构在继续下沉，特别是在后期徐变收缩下，结构要继续下伸变形，我们根据刚才前面分析的内容，提出了“层高施工预调”的理念，现在图纸就按照这个出，每层给出一个层高预调量，同时伴随着层高预调，构件的长度要预留，否则层高预调调不出来，根据前面计算的结果，构件长度预留有一系列方法，层高不是均匀的，层高高的地方是6毫米，层高在4.5米左右的，大概是2~3毫米。