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    傾斜高層建筑施工原理及實施

    作者:郭彥林    
    時間:2009-12-22 20:25:58 [收藏]
    (清華大學土木工程系 郭彥林 董全利 林冰面 劉學武)
      (清華大學土木工程系 郭彥林 董全利 林冰面 劉學武)

      [摘 要] 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和大眾審美觀的不斷改變,新近出現(xiàn)了大批不同于常規(guī)理念的建筑結(jié)構(gòu)。其中傾斜高層/高聳以其獨特的視覺效果得到了建筑師的青睞。目前世界上比較著名的有傾斜建筑——西班牙馬德里的”歐洲之門”姊妹塔、巴塞羅那通訊塔以及CCTV新臺址主樓等。傾斜建筑是對地球引力的公然對抗,由于施工過程中不斷增加的荷載對結(jié)構(gòu)造成的附加彎矩作用引起的結(jié)構(gòu)變形不可忽略,因而必須考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和P-Δ效應。并且,施工過程中每一步構(gòu)件的定位和加工尺寸的確定,都與施工方案密不可分。對這類結(jié)構(gòu)必須進行施工全過程動態(tài)跟蹤分析,才能保證最終的位形滿足設(shè)計要求。傾斜高層結(jié)構(gòu)的建造及合理的施工組織方案具有較大的難度。本文針對傾斜高層結(jié)構(gòu)工程的施工初始位形、分步安裝位形和加工預調(diào)值等關(guān)鍵問題進行研究,并結(jié)合單桿傾斜結(jié)構(gòu)和CCTV新臺址主樓有限元簡化模型分析,提出了解決這類問題的思路及方案,對傾斜高層結(jié)構(gòu)的施工有借鑒意義。
      [關(guān)鍵詞] 傾斜結(jié)構(gòu);施工方案;倒拆法;預調(diào)值

      1 概述
      始建于1173年的意大利比薩塔,最初作為教堂的鐘樓設(shè)計。在修建過程中,由于地基的不均勻沉降而發(fā)生傾斜,在此后的800多年間傾斜程度不斷發(fā)展,并因此成為聞名于世的一大建筑奇觀。比薩斜塔高約54米,塔頂偏離4.6米,于豎直平面的傾斜角約4.9度。傾斜建筑給人以強烈的視覺震撼,更容易吸引公眾的注意力。現(xiàn)代建筑師由此受到啟發(fā),設(shè)計出一批具有獨特視覺效果的傾斜建筑。較為著名的有:現(xiàn)代第一幢傾斜建筑—西班牙馬德里的“歐洲之門”姊妹塔、巴塞羅那通訊塔,CCTV新臺址主樓等。

      圖1 馬德里“歐洲之門”姊妹塔

      圖1為西班牙馬德里的“歐洲之門”姊妹塔(Puerta de Europa),于1989~1996年興建。

      每個塔樓各有26層,高度114米。為了避開地下地鐵站和地上部分的規(guī)劃商業(yè)街區(qū),兩塔不得不分開,這樣人為割裂了兩塔樓的密切聯(lián)系。建筑師通過把二者相對傾斜(與豎直平面的傾角達15度)呈門形隔街相望,巧妙地建立了兩座塔樓相互呼應的關(guān)系。因位于馬德里商業(yè)街的最北端,故稱歐洲之門(Gateway of Europe)。圖2為西班牙巴塞羅那通訊塔(Torre Montjuic),建于1989~1992年。主體高度約88米,天線高度136米。

      CCTV新臺址新臺址主樓呈閉合的環(huán)形,由兩座雙向6°傾斜的斜塔,連接兩座斜塔頂部的14層高的懸臂部分,以及9層裙房構(gòu)成。塔樓1最高點標高234米。兩座斜塔及裙房下設(shè)三層整體地下室。兩個塔樓的平面尺寸分別為 和 。總建筑面積約40萬平方米。見圖3。

      傾斜建筑是對地球引力的公然對抗,由于施工過程中不斷增加的荷載對結(jié)構(gòu)造成的附加彎矩作用引起的結(jié)構(gòu)變形不可忽略,因而必須考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和 效應。并且,施工過程中每一步構(gòu)件的定位和加工尺寸的確定,都與施工方案密不可分。對這類結(jié)構(gòu)必須進行施工全過程動態(tài)分析,才能保證最終的位形滿足設(shè)計要求。傾斜高層結(jié)構(gòu)的建造及合理的施工組織方案具有較大的難度。本文針對傾斜高層結(jié)構(gòu)工程的施工初始位形、分步安裝位形、加工預調(diào)值等等關(guān)鍵問題進行研究,并結(jié)合單斜桿傾斜結(jié)構(gòu)模型和CCTV新臺址主樓簡化模型的方案制定及施工過程分析,提出了解決這類問題的思路及實施方法。
      2 傾斜結(jié)構(gòu)的施工關(guān)鍵問題及對策
      2.1 施工各階段位形及加工預調(diào)值概念
      一個建筑從設(shè)計、施工到最終交付使用,經(jīng)歷多個不同的階段,每個階段都對應著不同的位形。包括設(shè)計位形、施工初始位形、分步安裝位形以及加工預調(diào)值等:
      設(shè)計位形是由施工圖給出的業(yè)主所期望的建筑結(jié)構(gòu)終了形式,即已經(jīng)考慮了內(nèi)外裝修、機電設(shè)備和照明、給排水管道等荷載,但尚未入住時的狀態(tài),是建筑竣工驗收所要求達到的結(jié)構(gòu)幾何位置。
      施工初始位形是安裝第一步構(gòu)件時結(jié)構(gòu)的初始位置,由設(shè)計位形經(jīng)加載反復疊代計算得到。為了滿足設(shè)計要求,承建方必須考慮施工過程中結(jié)構(gòu)的累積變形對整體結(jié)構(gòu)的影響以及每一施工荷載步構(gòu)件的安裝位置和加工尺寸。具體來說,就是先找出建筑結(jié)構(gòu)的施工初始位形,然后嚴格按照施工次序模擬計算,求出每一施工荷載步對應的結(jié)構(gòu)位形,如此才能使完成的建筑滿足業(yè)主和設(shè)計要求。在此基礎(chǔ)上按照擬定的施工次序進行操作,才能保證施工終了狀態(tài)的位形滿足設(shè)計位形容差要求。確定施工初始位形是整個模擬計算分析的關(guān)鍵,也是計算下面分步安裝位形和加工預調(diào)值的基礎(chǔ)。
      分步安裝位形是在完成每一步構(gòu)件的施工時,已完成部分結(jié)構(gòu)達到的位形,以及安裝下一步構(gòu)件的定位坐標。通過動態(tài)跟蹤模擬計算,可得到施工每一分步的安裝位形,確保最終位形與設(shè)計位形吻合。
      加工預調(diào)值:由于施工過程的荷載累計效應與設(shè)計采用的一次加載不同,而使構(gòu)件的實際加工尺寸與設(shè)計尺寸有所差異,構(gòu)件加工尺度與設(shè)計尺度之差,即為加工預調(diào)值。嚴格地說,任何結(jié)構(gòu)豎向承力構(gòu)件的實際加工長度與結(jié)構(gòu)最終成形的長度都是不同的,而且結(jié)構(gòu)越高、位置越靠近底部,差異越明顯。對于傾斜結(jié)構(gòu),由于附加彎矩的作用,這種差異表現(xiàn)得更加突出:如結(jié)構(gòu)傾向一側(cè)的柱受到重力荷載和附加彎矩產(chǎn)生軸向壓力的共同作用,會產(chǎn)生很大的壓縮變形,因而要求柱子的加工長度必須大于設(shè)計長度,才能保證結(jié)構(gòu)完工時的位形滿足使用要求;相反,傾斜結(jié)構(gòu)背側(cè)柱受到重力荷載作用和附加彎矩產(chǎn)生的拉力作用有一部分會相互抵消,故而底部柱的壓縮變形相對較小,并且接近頂部時,有可能在柱中出現(xiàn)拉力而使構(gòu)件的完成長度大于構(gòu)件加工長度,此時柱的預調(diào)值為負。
      對傾斜結(jié)構(gòu)而言,準確預測每一階段結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力狀況,尤為重要。這是因為體系的位形及內(nèi)力由于二階效應的影響而隨施工的進程不斷改變,具有明顯的時變力學特征,只有依照擬定的施工方案,對其進行全過程跟蹤模擬分析,才能準確確定結(jié)構(gòu)在各施工階段的位形和內(nèi)力,保證結(jié)構(gòu)最終成形狀態(tài)符合業(yè)主需求。



      采用大型分析軟件ANSYS的坐標更新功能,可以準確地實現(xiàn)施工初始位形的算法。圖6為施工初始位形的疊代過程示意圖,縱軸為斜桿的平均斜率,橫軸為疊代次數(shù)。可見,該算法具有較好的收斂性。為驗證其穩(wěn)定性,進行了大量的變參數(shù)分析,主要變量為桿件的剛度和集中荷載的大小,分析結(jié)果表明除剛度極小(如斜桿的彈模取到正常值的1/20以下)和荷載極大等極端情況,結(jié)構(gòu)變形過多導致算法不收斂外,對通常意義下的建筑結(jié)構(gòu),具有廣泛的通用性。

      分步安裝位形的確定:在得到正確的施工初始位形后,施加所有荷載后即得到設(shè)計位形。然后按照與施工過程完全相反的順序,依次去掉每層的集中荷載和桿件,計算新的結(jié)構(gòu)位形和構(gòu)件內(nèi)力,即為結(jié)構(gòu)施工到該位置時的分步安裝位形和內(nèi)力。這種方法稱為倒拆法,它通過從成形狀態(tài)倒拆構(gòu)件(荷載)的方式逐步進行結(jié)構(gòu)分析得到每一施工階段結(jié)構(gòu)的位形和內(nèi)力狀況。在橋梁的施工計算中有廣泛的應用。隨著荷載的清除和桿件的拆除,桿件將從設(shè)計位置逐步“回彈”,直至完全卸載,與施工初始位形重合。圖7為“倒拆法”過程示意:圖形的上、下包絡線分別表示施工初始位形和設(shè)計位形,中間曲線分別為各分步的位形,其中腳標b表示刪除集中荷載后相應步的位形,腳標a表示拆除該步構(gòu)件后的位形。如Step5b為拆掉頂部集中荷載P5時結(jié)構(gòu)的位形,Step5a為拆除第五層構(gòu)件L5時結(jié)構(gòu)的位形,節(jié)點4~5對應的位置就是施工到該處時第五層柱的分步安裝位形。同理可以找到第2到第4步的分步安裝位形Step2a~Step4a;最后得到的第一步分步安裝位形就是施工初始位形。
      利用ANSYS單元生死命令EKILL、EALIVE,可以很方便地實現(xiàn)施工過程的模擬。方法是在施工初始位形基礎(chǔ)上,先殺死所有單元,然后再按施工次序逐步激活每層桿件并施加樓層集中力(也稱“正裝法”),就可以得到與倒拆法完全相同的結(jié)果。在后面的分析中,均采用正裝法實現(xiàn)。
      加工預調(diào)值的確定:在得到分步安裝位形的同時,其實也找到了構(gòu)件的加工預調(diào)值,或構(gòu)件的實際加工長度。如圖7,Step 5a 為第五層柱的分步安裝位形,而節(jié)點4~5對應的分步安裝位形曲線上的桿件尺寸就是該柱的實際加工尺寸(加工預調(diào)值)。同樣可以求得每層柱的加工預調(diào)值。

      3 CCTV簡化模型分析

      a 合攏后整體模型 b 合攏前整體模型

      c 合攏后簡化模型 d 合攏前簡化模型
      圖8 CCTV主樓FEM完整模型及簡化模型

      如前所述,CCTV新臺址主樓底部兩塔樓不但沿兩個方向呈6°傾斜,并且在163米標高處各自伸出懸挑長度達75米、高度14層、重量1.4萬余噸的巨大懸挑并連為一體,其有限元完整模型及簡化模型見圖8,簡化模型選結(jié)構(gòu)最外側(cè)兩榀外框架,略去中間跨的柱和支撐,按 比例縮尺而成。這里選擇簡化模型目的在于更方便地闡述分析原理和過程。這種傾斜及閉合的門架結(jié)構(gòu)與單純的傾斜結(jié)構(gòu)有很大不同。CCTV主樓施工初始位形和分步安裝位形的確定具有更大的難度,主要表現(xiàn)在:
      (1)兩個塔樓在平面兩個方向上雙向傾斜,且傾斜角度較大。按照230米高度計算,頂層平面偏離底層距離達24米,超過塔樓在該方向邊長的40%;
      (2)施工過程中結(jié)構(gòu)的變形趨勢不一致。與單一的傾斜建筑自始至終沿一個方向變形的情形不同,CCTV新臺址主樓在頂部懸挑段連接前后,結(jié)構(gòu)的變形趨勢發(fā)生突變:在懸挑段合攏前,兩個塔樓分別在各自的傾斜方向上變形,互不影響;但當懸臂部分合攏后,兩個雙向傾斜的塔樓通過懸臂段互相起側(cè)向支撐作用,限制了二者變形的進一步發(fā)展,此后兩塔樓連同懸臂部分開始作為一個整體,主要在懸臂部分荷載作用下協(xié)同變形。同時,懸挑段的巨大彎矩作用,使塔樓頂部產(chǎn)生背離傾斜方向的變形。采用單斜桿模型一次找形的方式不能真實反映結(jié)構(gòu)的實際變形形態(tài),當然也就不能準確地找到初始施工位形及分布安裝位形。
      基于上述原因,初始施工位形及分布安裝位形的確定采用兩階段方法確定。合攏后階段和即將合攏階段。分別見圖7a、7c和圖7b、7d。
      首先,計算竣工狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的整體初始位形A,算法與斜桿模型相同。合攏后后續(xù)安裝的懸臂段構(gòu)件即以此值為其初始位形。然后,以位形A作為合攏前兩塔樓的目標位形,再計算每個塔樓的初始位形B,對塔樓而言,初始位形B是兩次預調(diào)值之和,也是整個建筑的施工初始位形;圖9是由設(shè)計位形得到的整體初始位形A,以及由整體初始位形A得到的塔樓初始位形B,三者的位置關(guān)系。


      在求得初始位形B、A后,按照上述與計算單斜桿同樣的方法“正裝法”,逐步激活每部分桿件,得到結(jié)構(gòu)的分步安裝位形和構(gòu)件實際加工尺寸。圖10為模擬施工過程。圖9a~9f分別表示塔樓底部、頂部、懸臂段施工以及懸臂段合攏、懸挑段上部樓層安裝和竣工狀態(tài)等六個階段。虛線為施工到該步時構(gòu)件的分步安裝位形。


      4 結(jié)論
      隨著經(jīng)濟水平的提高和建筑師審美觀的不斷創(chuàng)新,類似CCTV新臺址主樓這樣傾斜、非常規(guī)的建筑不斷涌現(xiàn),其設(shè)計和實施備受世人關(guān)注。對這類結(jié)構(gòu)必須進行施工全過動態(tài)分析,才能保證最終的位形滿足設(shè)計要求。傾斜高層結(jié)構(gòu)的建造及合理的施工組織方案具有較大的難度。本文通過對幾個簡單的有限元模型的分析,論述了解決這類傾斜高層鋼結(jié)構(gòu)施工難題的思路和方法,得到了一些有益的結(jié)論,主要有下面幾點:

      (1)給出了施工初始位形找形原理和疊代算法,該算法具有較好的收斂性,普遍適用于各類復雜結(jié)構(gòu)的初始位形求解。
      (2)應該注意的是,采用“倒拆法”或“正裝法”得到的分步安裝位形和加工預調(diào)值,是在假定的設(shè)計參數(shù)和施工方案的前提下得出的。計算時由于采用的諸如材料彈模、密度、本構(gòu)關(guān)系;構(gòu)件的尺寸、荷載條件等與實際工程中不可能完全一致,所以,必須根據(jù)施工過程中所檢測到的實際數(shù)據(jù)對原假設(shè)參數(shù)進行調(diào)整,以最大限度消除參數(shù)誤差的影響。

      (3)對CCTV新臺址主樓這樣復雜的高層結(jié)構(gòu),對基礎(chǔ)沉降和溫度應力的影響也相當敏感。在施工跟蹤計算時,應根據(jù)施工監(jiān)測到的地基沉降、不均勻溫度場的影響等結(jié)果,及時對設(shè)計參數(shù)和相應位形進行調(diào)整,以確保施工進程的安全和成形的準確。

      參考文獻:
      [1] Ove Arup & Partners Hongkong Ltd, 中央電視臺新臺址結(jié)構(gòu)擴初設(shè)計報告,2003
      [2] ANSYS, Inc. Theory Reference
      [3] ANSYS, Inc. ANSYS Guide to User Programmable Features
      [4] Leslie E. Robertson, (Leslie E. Robertson Associates), Leaning high-rise buildings, Modern Steel Construction, , May, 1991 v 31, n 5, p 25-28

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