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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(xué)土木工程系 郭彥林 董全利 林冰面 劉學(xué)武）
    （清華大學(xué)土木工程系 郭彥林 董全利 林冰面 劉學(xué)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(yīng)。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(yù)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(yù)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(yīng)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(biāo)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 ?？偨ㄖ娣e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(yīng)。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(yù)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(yù)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(yīng)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(yù)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(fù)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(yīng)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(yù)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(biāo)。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(yù)調(diào)值：由于施工過程的荷載累計效應(yīng)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(yù)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(yù)調(diào)值為負。
    對傾斜結(jié)構(gòu)而言，準(zhǔn)確預(yù)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(yīng)的影響而隨施工的進程不斷改變，具有明顯的時變力學(xué)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(zhǔn)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(biāo)更新功能，可以準(zhǔn)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(dǎo)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(yīng)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(luò)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(biāo)b表示刪除集中荷載后相應(yīng)步的位形，腳標(biāo)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(yīng)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(yù)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(yù)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(yīng)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(yù)調(diào)值）。同樣可以求得每層柱的加工預(yù)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(biāo)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(dāng)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(dāng)然也就不能準(zhǔn)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(biāo)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(yù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的初始位形求解。
    （2）應(yīng)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(yù)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(fù)雜的高層結(jié)構(gòu)，對基礎(chǔ)沉降和溫度應(yīng)力的影響也相當(dāng)敏感。在施工跟蹤計算時，應(yīng)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(yīng)位形進行調(diào)整，以確保施工進程的安全和成形的準(zhǔn)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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