孟宪亮， 廖理安， 李常虹

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610042)



中投证券大厦施工模拟分析

孟宪亮， 廖理安， 李常虹

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610042)

【摘要】深圳中投证券大厦大屋面高度137 m，建筑总高度149 m。采用矩形钢管混凝土柱+钢梁+双钢筋混凝土筒+高位转换(悬挂)桁架结构体系，结构平面中部28 m跨的楼盖在建筑低区、高区均采用钢吊柱悬挂在钢桁架上。施工过程中设置临时支撑柱，选择适当的时机拆除临时支撑柱形成悬挂结构。对结构进行了全过程的施工模拟分析，对比了一次性加载与考虑施工模拟、结构的内力与变形的差别。选取最不利的施工阶段，对结构的变形和构件的应力水平进行了最不利施工阶段验算，为结构的后续分析提供了初始刚度(施工模拟分析的最终刚度)。

【关键词】施工模拟；一次性加载；临时支撑；最不利施工阶段；转换桁架；悬挂

1工程概况

中投证券大厦项目地块位于深圳市南山区后海中心区，地上为一栋29层的办公楼，地下为兼做车库、设备用房和人防工程的5层地下室。塔楼下部设三层与塔楼连为一体的裙房，裙房平面呈矩形，裙房屋面建筑标高18.2 m。采用矩形钢管混凝土柱+钢梁+双钢筋混凝土筒+高位转换(悬挂)桁架结构体系。结构在计算层的14～16层设置两层通高的转换桁架，在计算层的29～屋面层设置一层高的转换桁架，在转换桁架下弦节点设置钢吊柱悬挂下部钢梁，将下部钢梁的跨度由28 m减小到12 m。标准层结构模型及结构模型立面图分别见图1、图2。

图1　标准层结构模型

图2　结构模型立面

2中投证券大厦主楼结构施工特点

中投证券大厦主楼结构平面中部28 m跨的楼盖在建筑低区、高区均采用钢吊柱悬挂在钢桁架上。施工过程中设置临时支撑柱，选择适当的时机拆除临时支撑柱形成悬挂结构。这样的结构体系决定了其施工过程中结构的状态与最终结构状态明显不同，如果参照一般的一次性加载分析方法(将所有荷载一次性施加在成形的最终结构上)，具有较大的分析误差，只有考虑实际结构刚度在不断变化的施工模拟分析方法所得到的结果才能反映实际情况。

3施工阶段划分与考虑的荷载情况

根据工程的实际情况，本着安全适用、方便施工的原则，与施工单位协商，经过各施工方案对比后最终将本工程分为25个施工阶段，详细的施工阶段划分见表1。施工过程中考虑1.0 kN/m2的施工阶段活荷载。表格中Postcs表示结构最终的使用状态。主要施工阶段的模型示意见图3～图10，图名所示的施工阶段与表1中的施工阶段相对应。

表1中考虑的荷载情况说明如下：

DC：施工阶段恒荷载，主要为结构构件的自重；

LC：施工阶段活荷载，考虑1.0kN/m2；

DL：使用阶段恒荷载，包括楼板附加恒荷载、隔墙荷载等；

LL：使用阶段活荷载，按现行荷载规范取值。

图3　阶段1

图4　阶段2

4施工模拟分析与一次性加载结果的比较

选取工况(D+0.5L)下的内力进行对比。图11、图12所示为14～16层转换桁架一次性加载与施工模拟内力对比，图13、图14所示为5～7层被悬挂层一次性加载与施工模拟内力对比。一次性加载上弦杆最大轴力-803kN，最大弯矩-875kN·m。施工模拟上弦杆最大轴力-1 021kN，最大弯矩-915kN·m。一次性加载下弦杆最大轴力1 763kN，最大弯矩-1 215kN·m。施工模拟下弦杆最大轴力2 239kN，最大弯矩-1 341kN·m。施工模拟分析的桁架弦杆轴力和弯矩均大于一次性加载结果。上弦杆轴力误差27.1%，弯矩误差4.5%；下弦杆轴力误差27%，弯矩误差10%。

表1　施工阶段划分

图5　阶段8

图6　阶段9

选取工况(1.0D+1.0L)下的位移进行对比，图15、图16所示为14～16层转换桁架一次性加载与施工模拟位移对比，图17、图18所示为5～7层被悬挂层一次性加载与施工模拟位移对比。一次性加载5层梁最大竖向位移50mm，施工模拟5层梁最大竖向位移54mm。一次性加载14～16层桁架上弦杆最大竖向位移26mm，施工模拟上弦杆最大竖向位移24mm。5层梁位移误差8%，14～16层转换桁架上弦杆位移误差8.3%。

图7　阶段10

图8　阶段16

图9　阶段17

图10　阶段25

图11　14～16层转换桁架轴力(一次性加载)

图12　14～16层转换桁架轴力(施工模拟)

图13　5～7层被悬挂层轴力(一次性加载)

图14　5～7层被悬挂层轴力(施工模拟)

图15　14～16层转换桁架变形(一次性加载)

图16　14～16层转换桁架变形(施工模拟)

图17　5～7层被悬挂层变形(一次性加载)

图18　5～7层被悬挂层变形(施工模拟)

5最不利施工阶段验算

施工阶段8，即拆除第5层临时支撑柱之前的施工阶段为最不利施工阶段。阶段16，即拆除第17～19层临时支撑柱之前的施工阶段为最不利施工阶段。最不利施工阶段验算时，考虑LC=1.0kN/m2的施工阶段活荷载。选取其中一个施工阶段作为最后施工阶段，采用其施工模拟分析后的效应与风荷载效应进行组合，进行结构及构件的验算。最不利施工阶段的模型立面见图19所示，以黑色框内构件的应力比和变形为重点关注对象。采用1.0D+1.0L工况，验算结构在竖向荷载下的整体变形。

最不利施工阶段8临时支撑柱下桁架杆件最大应力比为0.35，最不利施工阶段16临时支撑柱下桁架杆件最大应力比为0.57(图20)，均小于1。最不利施工阶段8临时支撑柱下桁架最大变形7mm，最不利施工阶段16临时支撑柱下桁架最大变形15mm(图21)，变形满足规范要求，均在可控范围内。

图19　最不利施工阶段模型立面

图20　最不利施工阶段16临时支撑柱及柱下桁架应力比

图21　最不利施工阶段16临时支撑柱及柱下桁架变形

6施工过程主要构件内力追踪结果

跟踪吊柱的轴力和桁架弦杆的左支座轴力。对于吊柱，可分为低区吊柱和高区吊柱，如图22所示吊柱1～吊柱6，为承担荷载最大的吊柱；对于弦杆，分别选取14～16层桁架的下弦杆(弦杆1)和29～屋面层桁架的下弦杆(弦杆2)。对上述构件，跟踪整个施工过程中杆件的内力，分析判断主要构件的内力变化规律。

图22　施工过程中内力跟踪构件位置示意

图23　低区吊柱施工阶段轴力变化

图24　高区吊柱施工阶段轴力变化

从图23～图24可知，吊柱轴力在施工过程中产生了明显的变号现象，即在施工过程中先受压后受拉，压力峰值发生在临时支撑柱拆除前的施工阶段，低区吊柱压力峰值出现

图25　弦杆施工阶段轴力变化

在阶段7，高区吊柱压力峰值出现在阶段16，拉力峰值产生在最终的施工阶段。从图25可知，弦杆1及弦杆2的轴力在临时支撑柱拆除阶段即阶段17产生了突变现象。表现为弦杆1轴力突然变小，变化幅度为420kN；弦杆2轴力突然变大，变化幅度为433kN。这是由于对于弦杆1来说临时支撑柱的拆除表现为突然卸载，对于弦杆2来说临时支撑柱的拆除表现为突然加载。

7结论

(1)通过施工方案的对比分析，选取合理的施工顺序，一方面能够使施工更加方便快捷，另一方面通过施工模拟分析，能够验算结构在施工过程中最不利施工阶段的内力和变形，使施工过程安全可控。

(2)施工模拟分析能够跟踪结构中重要构件在施工过程中的内力和位移的变化，根据分析结果可以判断重要施工阶段构件的内力变化幅度(如突然卸载与加载)和内力变化规律。

(3)通过施工模拟分析得到的结构最终刚度可以为后续结构分析(如小震分析、中震分析、大震动力弹塑性分析等)提供真实的初始刚度。

参考文献

[1]北京迈达斯技术有限公司.MIDASGen分析设计原理手册[M].2010.

[2]汪大绥，姜文伟，包联进，等.CCTV新台址主楼施工模拟分析及应用研究[J].建筑结构学报，2008，29(3)：104-110.

[3]范重，孔相立，刘学林，等.超高层建筑结构施工模拟技术最新进展与实践[J].施工技术，2012，41(14)：1-12.

[4]刘鑫，刘伟庆，王曙光，等.高层混合结构基于模型分析的施工模拟方法[J].建筑结构，2013，43(5)：18-22.

【文献标志码】A

【中图分类号】TU721.1

[作者简介]孟宪亮(1981～)，男，本科，工程师，四川省土木建筑学会会员，从事结构设计工作。

[定稿日期]2015-12-14