韓 杰 趙 超 黃 浩

（1.廣東大亞灣核電服務(wù)集團有限公司，深圳518000；2.同濟大學(xué)建筑工程系，上海200092；3.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶4041002）

中廣核大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中的關(guān)鍵技術(shù)研究

韓 杰1，*趙 超2黃 浩3

（1.廣東大亞灣核電服務(wù)集團有限公司，深圳518000；2.同濟大學(xué)建筑工程系，上海200092；3.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶4041002）

中廣核大廈項目由南北兩棟獨立的塔樓組成，均為復(fù)雜超限高層建筑，其中北樓自10層到屋頂層為懸挑鋼結(jié)構(gòu)，采用大懸臂轉(zhuǎn)換鋼桁架結(jié)構(gòu)體系。本項目結(jié)構(gòu)體系新穎，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工過程中存在三大關(guān)鍵技術(shù)難題：風(fēng)荷載及結(jié)構(gòu)風(fēng)振，懸挑鋼結(jié)構(gòu)的安全性以及懸挑鋼結(jié)構(gòu)與混凝土主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的傳力可靠性。針對該重要、特殊、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，按設(shè)計使用年限50年進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行了基于性能的抗震設(shè)計、結(jié)構(gòu)振動與舒適度分析；對北樓懸挑鋼結(jié)構(gòu)的施工過程進行了模擬分析，對懸挑鋼結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進行了全程監(jiān)控；同時對懸挑鋼結(jié)構(gòu)與主塔樓連接節(jié)點進行了有限元分析、實測以及風(fēng)洞測壓試驗。通過合理的結(jié)構(gòu)選型、精心的設(shè)計、充分的理論分析及試驗研究，有效地保證了該超限結(jié)構(gòu)的安全性，為同類工程的實施提供了重要借鑒。

風(fēng)洞試驗，懸挑鋼結(jié)構(gòu)，節(jié)點，有限元分析，卸載，監(jiān)測

1 項目概況

中廣核大夏項目用地面積約10 135.29 m2，總建筑面積158 830 m2。由南、北兩棟獨立的塔樓組成，其中南樓39層，建筑高度176.95 m，頂部設(shè)有直升機停坪；北樓24層，建筑高度107.85 m，10層到屋頂層設(shè)有大懸挑鋼結(jié)構(gòu)。3層地下室滿鋪連通，設(shè)南北兩個車道出入口，外墻采用深灰色金屬鋁板幕墻和變化豐富窗墻體系。建筑外觀新穎、獨特，具有較強的視覺沖擊力，見圖1。本項目南、北獨立的兩棟塔樓均為復(fù)雜超限高層建筑。兩塔樓均采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)形式，其中南樓為B級高度高層建筑，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，局部樓板不連續(xù)；北樓扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，且連續(xù)多層大懸挑，懸挑長度達到16.5 m。

圖1 項目效果圖Fig.1 Impression draw of the project

本項目結(jié)構(gòu)體系新穎，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工過程中需要解決三大關(guān)鍵技術(shù)問題：風(fēng)荷載及結(jié)構(gòu)風(fēng)振，懸挑鋼結(jié)構(gòu)的施工安全性以及懸挑鋼結(jié)構(gòu)與混凝土主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的傳力可靠性［1］。在結(jié)構(gòu)設(shè)計初和施工過程中，中廣核大廈項目部組織相關(guān)單位完成了系列的試驗研究及理論分析工作：進行了風(fēng)洞測壓試驗及結(jié)構(gòu)振動與舒適度分析；對北樓懸挑鋼結(jié)構(gòu)的施工過程進行了模擬分析；對懸挑鋼結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進行了全程監(jiān)控；對懸挑鋼結(jié)構(gòu)與主塔樓連接節(jié)點進行了有限元分析及受力狀況進行實測。同時，本工程懸挑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計部分構(gòu)件采用高性能Q345GJ-B鋼材，現(xiàn)場監(jiān)測時對采用Q345GJ-B鋼材的部分大跨鋼梁的現(xiàn)場載荷性能及節(jié)點連接區(qū)性能進行了實測，了解了Q345GJ-B鋼材在本工程中的適用性，積累了GJ鋼構(gòu)件的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。通過上述專項研究工作，解決了關(guān)鍵技術(shù)難題，有效地保障了本項目在施工及使用過程中的安全性。現(xiàn)將項目實施過程中采取的關(guān)鍵技術(shù)措施進行總結(jié)，為類似的項目實施過程提供參考。

2 結(jié)構(gòu)體系及特點

2.1 南樓結(jié)構(gòu)體系

南樓主塔樓采用現(xiàn)澆鋼骨混凝土柱—混凝土框架梁—核心筒結(jié)構(gòu)體系，裙樓結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，與塔樓通過鋼梁鉸接。結(jié)構(gòu)豎向力由現(xiàn)澆外框架和鋼筋混凝土筒體共同承擔，外框柱密集布置，且多數(shù)通過混凝土梁與核心筒剛接，形成良好的框架與核心筒協(xié)同工作效果，共同抵抗由于風(fēng)荷載及地震作用產(chǎn)生的水平剪力以及傾覆彎矩。

2.2 北樓結(jié)構(gòu)體系

北樓主塔樓采用鋼筋混凝土框架—核心筒體系，10層—屋頂層懸挑部分采用鋼結(jié)構(gòu)體系，與主塔樓剛性連接。結(jié)構(gòu)水平力由外框架和鋼筋混凝土墻體共同承擔，共同承擔由于風(fēng)荷載及地震作用產(chǎn)生的水平剪力以及傾覆彎矩。

北樓1-8軸～1-10軸10至25層為懸挑鋼結(jié)構(gòu)（圖2），從10層開始懸挑，懸挑長度17m，平面尺寸16.5 m×30.6 m，其中10～18層為大懸臂轉(zhuǎn)換鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，18層至頂層為箱型鋼柱和H型鋼梁組成的鋼框架結(jié)構(gòu)體系，最大截面箱型鋼柱600×600×20×20 mm，H型鋼梁HW600× 300×20×20 mm。其中，鋼骨混凝土主體結(jié)構(gòu)與懸挑鋼結(jié)構(gòu)之間的連接節(jié)點區(qū)域受力大（見圖2中節(jié)點1、節(jié)點2），設(shè)計及施工時需要重點保障該類節(jié)點區(qū)域的安全。

圖2 北樓立面示意圖Fig.2 Vertical view of north tower

3 專項研究

本工程結(jié)構(gòu)形式新穎特殊，為了保證結(jié)構(gòu)安全，開展了若干專項研究工作。通過完成系統(tǒng)的理論分析及試驗研究工作，解決了該建筑抗風(fēng)安全性、懸挑鋼結(jié)構(gòu)與主塔樓結(jié)構(gòu)連接節(jié)點受力性能、懸挑鋼結(jié)構(gòu)胎架支撐卸載施工幾大關(guān)鍵技術(shù)難題，有效地保障了該工程在施工及使用中的安全性［3］。下面分別就本項目中開展的專題研究工作進行介紹。

3.1 風(fēng)洞試驗

由于該工程項目處在臺風(fēng)多發(fā)的沿海地區(qū)，且兩相鄰塔樓可能產(chǎn)生較大的相互干擾作用，風(fēng)效應(yīng)比較復(fù)雜，為了確保兩棟塔樓在建成使用階段的抗風(fēng)安全性，對兩塔樓在強風(fēng)作用下的圍護結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布以及在設(shè)計風(fēng)速下，該樓的風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)頂部加速度響應(yīng)進行詳細的風(fēng)洞試驗研究，并根據(jù)風(fēng)洞試驗的結(jié)果，對該樓的抗風(fēng)安全性以及在設(shè)計風(fēng)速范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)三維風(fēng)振特性和該樓辦公人員的舒適性進行了風(fēng)洞試驗研究，見圖3。通過本項目風(fēng)洞動態(tài)測壓試驗結(jié)果及分析得出結(jié)論［2］：

（1）由本項目墻體外表面測點的壓力系數(shù)結(jié)果可以看出，氣流在外墻面的棱角處出現(xiàn)明顯的分離，且在分離區(qū)出現(xiàn)較大的負壓，特別是在兩棟樓之間容易出現(xiàn)風(fēng)速的加速作用，其負風(fēng)壓（系數(shù)）的絕對值較大。

（2）受到周邊建筑的影響出現(xiàn)明顯的建筑群體效應(yīng)，特別是南北兩棟樓之間的外墻風(fēng)壓力（吸力）。

（3）總體來說，沿高度方向，較大風(fēng)壓出現(xiàn)在大樓約1／2以上高度處，并且在主體結(jié)構(gòu)的四個周邊拐角區(qū)域及受內(nèi)外壓影響的頂部，其風(fēng)荷載較大。

（4）從分析結(jié)果看，南塔樓測點正體型系數(shù)基本維持在0.7～0.9之間，對于頂部的內(nèi)外受風(fēng)墻面其正體型系數(shù)達到1.32；測點負體型系數(shù)大概在－0.6～1.0之間，但對于底部測點其負體型系數(shù)相對較大，達到－2.20。北塔樓測點正體型系數(shù)在0.6～0.9之間，對于頂部內(nèi)外受風(fēng)的墻面其正體系系數(shù)較大，達到1.43；測點負體型系數(shù)在－0.6～0.9之間，但對于底部測點其負體型系數(shù)較大，達到－2.39。

（5）試驗結(jié)果表明，由于南北塔樓相對距離較小，之間形成“峽谷”帶，氣流在此位置加速，使得南、北塔樓的此側(cè)面及相鄰的拐角出現(xiàn)明顯的氣流分離，而產(chǎn)生較大的負風(fēng)壓，特別是對南塔樓的北面墻面影響較大，北塔樓南側(cè)面影響相對小些。受到周邊建筑（高度與北塔樓較為接近）的影響，北塔樓的北側(cè)面出現(xiàn)較大的負風(fēng)壓。

圖3 風(fēng)洞試驗Fig.3 Wind tunnel test

3.2 結(jié)構(gòu)振動與舒適度分析

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2002）中4.6.6的規(guī)定，高度超過150 m的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用條件，滿足舒適度要求，按現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009）規(guī)定的10年一遇的風(fēng)荷載取值計算的順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點最大加速度不應(yīng)超過表1的限值。基于10年一遇風(fēng)荷載取值和風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)計算的結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度，南塔結(jié)構(gòu)頂部X向最大加速度為0.080 m／s2，Y向為0.098 m／s2，最大合成加速度為0.125 m／s2（發(fā)生在180°風(fēng)向角）；北塔結(jié)構(gòu)頂部X向最大加速度為0.083 m／s2，Y向為0.098 m／s2，最大合成加速度為0.129 m／s2（發(fā)生在165°風(fēng)向角）；均滿足規(guī)范要求。

表1 結(jié)構(gòu)頂點峰值加速度限值（10年重現(xiàn)期）Table 1 Peak acceleration lim its on structure top（return period of 10 years）

3.3 北樓懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析及施工監(jiān)控

北樓懸挑鋼結(jié)構(gòu)安裝時，在懸挑結(jié)構(gòu)豎向鋼柱下方布置臨時支承胎架，胎架之間根據(jù)布置形式通過水平連系桁架進行連接，共同組成一個主體結(jié)構(gòu)的臨時支承體系，作為整個懸挑鋼結(jié)構(gòu)高空安裝的主要受力支點。懸挑鋼結(jié)構(gòu)安裝、焊接完畢形成結(jié)構(gòu)體系后再拆除胎架，即為卸載。卸載過程中，結(jié)構(gòu)體系進行了一次轉(zhuǎn)換，由胎架受力轉(zhuǎn)換為鋼結(jié)構(gòu)懸挑受力，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程中，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷應(yīng)力突變，為懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)［3］。卸載完成后，再進行后續(xù)施工，澆筑各層樓板及安裝幕墻，完成主體結(jié)構(gòu)施工工作。

為了了解懸挑鋼結(jié)構(gòu)及胎架在施工過程中的受力狀態(tài)，基于MIDAS／GEN平臺進行了施工階段模擬分析［4-7］。根據(jù)施工過程的階段性在施工模擬時劃分為7個模擬狀態(tài)，施工模擬工況見表2。

表2 施工模擬工況Table 2 Construction simulation steps

模擬分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)體系在施工過程中，應(yīng)力和變形變化平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平保持在合理的水平，胎架及懸挑鋼結(jié)構(gòu)均有較高的安全儲備。胎架最大應(yīng)力87.2 N／mm2，最大壓縮變形為9.7 mm，在第4施工步出現(xiàn)，即鋼結(jié)構(gòu)全部安裝完畢時；懸挑鋼結(jié)構(gòu)部分最大應(yīng)力為62.3 N／mm2，在第7施工步出現(xiàn)，即全部恒載施加完畢以后，此時的最大變形為33.7 mm；懸挑鋼結(jié)構(gòu)在卸載施工時，卸載位移為12.5 mm（第5施工步與第4施工步的位移差值），分析結(jié)果見表3。

表3 施工模擬結(jié)果Table 3 Construction simulation results

施工過程中，對懸挑鋼結(jié)構(gòu)及胎架布置了148個應(yīng)變監(jiān)測點，進行了分階段的現(xiàn)場實測，現(xiàn)場監(jiān)測見圖4。懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工過程的有限元仿真模擬分析結(jié)果及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明：

（1）卸載前后，結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的應(yīng)變增量與理論分析值吻合較好，表明結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換得到了有效的完成，結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)與設(shè)計意圖相符；

圖4 懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)變測點Fig.4 Stain monitoring points

（2）卸載完成后，溫度作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較小的變形，表現(xiàn)為測點應(yīng)變實測值有所變化，但是幅度較小，總體來看，該結(jié)構(gòu)對溫度變化不敏感；

（3）結(jié)構(gòu)的實際卸載位移量與監(jiān)測前分析值有一定的差異，主要是由于焊接變形及胎架偶然變形引起的，通過應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)可以判斷結(jié)構(gòu)處于正常的受力狀態(tài)，該差異不會對結(jié)構(gòu)的安全性造成影響。

該項目北樓懸挑鋼結(jié)構(gòu)形式領(lǐng)先、懸挑長度大、重量大，施工過程中采用分階段施工仿真模擬的方法科學(xué)合理地制定了卸載施工方案，現(xiàn)場施工監(jiān)測可靠有效地保證了施工過程的順利進行，采用該方法亦對卸載過程中出現(xiàn)的異常情況進行了準確的分析判斷。證明了采用施工仿真模擬—現(xiàn)場實測—施工后補充分析的方法具有科學(xué)合理性及有效性，可以應(yīng)用到類似的大型鋼結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測中［6-10］。

3.4 北樓懸挑鋼結(jié)構(gòu)與主塔樓連接節(jié)點分析及實測

在胎架卸載施工過程中經(jīng)歷荷載突變，受力狀態(tài)復(fù)雜，是整個懸挑部分與主體結(jié)構(gòu)傳力的重要環(huán)節(jié)，為了掌握該節(jié)點區(qū)域的受力性能，確保施工及使用過程中的結(jié)構(gòu)安全，采用SAP2000程序建立了該類節(jié)點區(qū)域的三維有限元模型，進行了各施工控制工況的節(jié)點受力性能模擬分析［11-13］，了解了各控制工況下，節(jié)點區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律。節(jié)點位置見圖2，表4為節(jié)點一最大應(yīng)力點的計算結(jié)果，表5為節(jié)點二最大應(yīng)力點的計算結(jié)果。表中數(shù)據(jù)顯示：在施工過程各個階段，懸挑鋼結(jié)構(gòu)保持較低的應(yīng)力水平。結(jié)構(gòu)在卸載時的最大應(yīng)力為23.7 MPa；在樓板澆筑完畢時，最大應(yīng)力為77.8 MPa；在幕墻完成時，最大應(yīng)力為82.8 MPa，應(yīng)力較小，具有較高的安全裕度。在懸挑鋼結(jié)構(gòu)胎架卸載施工階段對節(jié)點區(qū)域的實際應(yīng)力變化進行了現(xiàn)場實測，實測時，在懸挑鋼結(jié)構(gòu)根部節(jié)點區(qū)域布置了80只振弦式應(yīng)變計，實時觀測節(jié)點區(qū)域的應(yīng)變發(fā)展（圖5）。

表4 節(jié)點區(qū)域一模擬結(jié)果匯總Table 4 Simulation results of joint one

表5 節(jié)點區(qū)域二模擬結(jié)果匯總Table 5 Simulation results of joint two

圖5 節(jié)點應(yīng)變測點Fig.5 Stain monitoring points of joints

實測得到的節(jié)點一區(qū)域最大應(yīng)變?yōu)?07με，大于理論分析值366με約11%；節(jié)點二區(qū)域最大應(yīng)變最大應(yīng)變?yōu)?10με，大于理論分析值265με約12%。實測值與理論分析值應(yīng)力變化趨勢一致，變化幅度接近，整體吻合較好?，F(xiàn)場實測值直接說明了節(jié)點區(qū)域處于較低的應(yīng)力水平，具有較高的安全度。本工程北樓懸挑鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換節(jié)點區(qū)域的有限元模擬分析結(jié)果及現(xiàn)場實測結(jié)果表明：

（1）在施工過程各個階段，該懸挑鋼結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換節(jié)點區(qū)域均保持較低的應(yīng)力水平，具有較高的結(jié)構(gòu)安全度。

（2）懸挑鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點區(qū)域傳力效果明確，懸挑鋼結(jié)構(gòu)的桁架效應(yīng)明顯，整體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與設(shè)計意圖吻合。通過采用理論分析結(jié)合實測數(shù)據(jù)的手段，有效地驗證了該類節(jié)點的安全性及設(shè)計合理性。

4 結(jié) 論

本工程雖然結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，但形式新穎，建筑效果獨特，其創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系及其在項目實施過程中采用的技術(shù)保障手段對同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計及施工具有重要的參考價值和借鑒意義：

（1）主塔樓采用鋼骨混凝土柱—混凝土框架梁—核心筒結(jié)構(gòu)體系，懸挑部分及裙樓部分采用鋼結(jié)構(gòu)體系，合理地利用了各類結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢；懸挑部分采用桁架受力體系，較好地實現(xiàn)了限額設(shè)計，有效地做到了經(jīng)濟性與結(jié)構(gòu)性能的雙贏。

（2）對于體系復(fù)雜的超高層建筑，有必要通過風(fēng)洞試驗等補充手段考察其抗風(fēng)安全性，特別是對處于城市中心地區(qū)的該類建筑，應(yīng)高度重視建筑群體效應(yīng)的影響。

（3）本工程結(jié)構(gòu)形式特殊新穎，存在一些超越現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)問題，通過充分的理論分析、試驗研究、施工配合以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，有效地保證了設(shè)計意圖的完美實現(xiàn)，同時亦通過這些技術(shù)手段證明了所采用的設(shè)計方法和新技術(shù)是合理可行的。

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Key Techniques for Structural Design and Construction of a Super High-rise Building Project

HAN Jie1，*ZHAO Chao2HUANG Hao3
（1.Guangdong Dayawan Nuclear Power Group Co.Ltd.，Shenzhen 518000，China；2.Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；3.College of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 404100，China）

This project is composed of two independent towers：the north tower and the south tower.The north tower has a large span steel truss structure from its10th story to its25th story.The novel and complicated structure system brings a lot of challenges to structural design and construction，which includes wind load induced structural vibration，the safety of the cantilever steel structure，and the reliability of the joint that connects the steel structure and the concrete structure.In order to solve these problems，analyses and research have been conducted.This paper introduces these studies，including performance based seismic design，vibration analyses，construction process simulation，structuralmonitoring of the cantilever steel structure，F(xiàn)EA and monitoring of the joint zone，and wind tunnel tests.

wind tunnel test，cantilever steel structure，joint，F(xiàn)EA，unloading，monitoring

2013－05－29

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目（CDJZR12200023）；國家自然科學(xué)基金（51078368）*聯(lián)系作者，Email：yingjiecy＠126.com