CN114703974A - 超高层顶巨型钢连体提升引起主楼侧向变形的控制方法 - Google Patents

超高层顶巨型钢连体提升引起主楼侧向变形的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高层顶巨型钢连体提升引起主楼侧向变形的控制方法，包括：施工主楼结构，完成除钢连体与主楼连接楼层外其余楼层板的浇筑；浇筑主楼与连体连接楼层的多层主楼外侧楼板；在地面拼装、预拱钢连体的提升单元；布设提升装置；提升先提升单元至设计位置，并嵌补连接杆件；提升后提升单元至设计位置，并嵌补连接杆件；浇筑主楼与钢连体连接楼层的钢连体楼板及未浇筑的主楼楼板。主楼施工时仅浇筑主楼与钢连体连接楼层的多层主楼外侧楼板，使主楼顶部侧向变形向外，结合先提升钢连体与主楼形成的门式结构对主楼的支撑，消除后提升重型钢连体引起的向内变形；加固结构杆件、调平嵌补杆件、预拱钢连体，保证安装精度及结构安全。

Description

超高层顶巨型钢连体提升引起主楼侧向变形的控制方法
技术领域
本发明属于超高层建筑及大跨钢结构施工技术领域，涉及一种超高层顶巨型钢连体提升引起主楼侧向变形的控制方法。
背景技术
目前超高层顶部巨型大跨钢桁架钢连体施工通常采用整体提升或整体提升与高空散拼相结合的施工方法。整体提升与高空散拼相结合的施工方法高空作业多，施工周期长且风险高；一次整体提升钢连体施工速度快，安装精度高，但重型高位钢桁架钢连体提升过程引起超高层主楼顶部侧向变形与应力较大，直至结构施工成型后仍无法消除，给后续使用阶段埋下安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高层顶巨型钢连体提升引起主楼侧向变形的控制方法，控制并消除钢连体提升过程对主体结构产生的侧向变形，保证钢连体杆件的嵌补精度，加快施工速度，同时保证结构施工成型后，并叠加后续设计使用阶段的荷载，结构的应力与形位仍满足设计要求。
本发明提供的这种超高层顶巨型钢连体提升引起主楼侧向变形的控制方法，包括如下步骤：
S.1、施工主楼结构，完成除钢连体与主楼结构连接楼层外其余楼层板的浇筑；
S.2、主楼结构未浇筑楼板的楼层，浇筑多层外侧楼板；
S.3、将待提升的钢连体在地面拼装为先提升单元和后提升单元；
S.4、布设提升装置；
S.5、提升先提升单元至设计位置，并嵌补其与主楼之间的连接杆件；
S.6、提升后提升单元至设计位置，并嵌补其与主楼之间的连接杆件；
S.7、浇筑钢连体及未浇筑的内侧楼板。
所述S.2中通过有限元软件模拟主楼及钢连体结构施工全过程，依据钢连体提升过程及施工成型后主楼顶部侧向变形不超过10mm及主楼最大侧向变形不超过15mm，从而确定S.2中外侧楼板的浇筑层数。
所述钢连体的层数为6-10层，所述先提升单元为包括一层或两层上部轻型钢连体结构；后提升单元为余下的重型钢连体结构。
所述钢连体预制时进行预变形控制，根据确定的预拱值在地面拼装并预拱先提升单元及后提升单元。
还包括通过有限元软件模拟，采用结构设计与施工一体化分析模拟超高层钢连体结构施工与使用全过程，根据先提升单元和后提升单元的提升过程以及后提升单元提升过程对先提升单元及主体结构的影响，钢连体结构施工成型后叠加设计使用阶段荷载，保证连接杆件应力比不超过0.7，从而加固主楼与钢连体结构的连接杆件。
所述S.3中提升装置的布设点设置在钢连体顶部与主楼外框柱相连的牛腿节点处，液压提升装置及钢绞线数量由各提升单元重量确定。
所述S.4以及S.5中嵌补主楼与钢连体间的连接杆件前调整提升吊点的位置，通过有限元软件模拟主楼及钢连体提升过程，对提升吊点上层嵌补杆件端部调平，在软件中通过调整钢绞线刚度实现，保证两端竖向变形一致，从而将钢连体结构与主楼嵌补杆件的竖向变形差控制在2mm内，保证杆件嵌补精度。
所述S.2还包括通过有限元软件模拟考虑钢连体施工成型全过程并叠加后续设计使用阶段的荷载，确定在1.0倍恒载与0.5倍活载下的各榀钢连体桁架的预拱值，连体各点对应的预拱值为各点的竖向变形减对应钢连体桁架端部的竖向变形，以保证先提升单元和后提升单元竖向嵌补杆件变形协调，同时钢连体结构施工成型后形位可满足设计要求。
本发明通过在主楼施工过程中仅浇筑主楼与钢连体连接楼层的多层主楼外侧楼板，使得主楼施工完成后顶部的侧向变形向外，再提升先提升单元，先提升单元提升过程中使主楼发生向内变形，先提升单元提升就位后立即嵌补其与主楼间的连接杆件，待主楼与先提升钢连体单元形成门式超高层结构后再提升后提升单元，利用先提升单元对主楼的支撑作用减小后提升单元提升过程引起的主楼向内变形。即通过在主楼施工过程中仅浇筑主楼与钢连体连接楼层的多层主楼外侧楼板，结合先提升钢连体与主楼形成的门式结构对主楼的支撑作用，有效消除并控制下部重型钢连体提升引起的主楼侧向变形；同时考虑钢连体施工成型及对设计阶段的影响加固钢连体杆件、调平嵌补杆件保证安装精度并预拱钢连体，保证结构施工成型后的形位与应力满足后续设计使用阶段的要求。并且整个钢连体的混凝土与预留楼板的混凝土同时浇筑，整体效果更好。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的施工流程框图。
图2为本优选实施例中一次整体提升钢连体结构的侧向变形云图。
图3为本优选实施例中主楼施工完成后的竖向变形云图。
图4为本优选实施例中主楼施工完成后的侧向变形云图。
图5为本优选实施例中先提升单元提升就位并嵌补完成后的侧向变形云图。
图6为本优选实施例中后提升单元提升就位并嵌补完成后的侧向变形云图。
图7为本优选实施例结构施工成型后的侧向变形云图。
图8为本优选实施例中先提升单元与主楼嵌补杆件竖向调平位置示意。
图9为本优选实施例中后提升单元与主楼嵌补杆件竖向调平位置示意。
图10为本优选实施例钢连体设计使用阶段的结构应力云图。
图11为本优选实施例钢连体设计使用阶段的竖向变形云图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例适用于钢连体结构提升重量大于6000 t、钢连体层数不少于6层、提升高度大于180m，钢连体跨度大于50m，主楼单体结构高度大于200 m、高宽比大于7的工况。
如图1所示，本实施例公开的这种超高层顶巨型钢连体提升引起主楼侧向变形的控制方法，包括如下步骤：
施工前采用Midas有限元分析软件建立带多层钢连体的超高层结构的整体计算模型，所建立的模型包含两栋高248.2m、高宽比为8的钢-混凝土框筒组合结构主楼，超高层顶部跨度63.2m，重约7000t的八层钢连体，钢连体位于主楼的47至54层，液压提升装置及施工过程中的临时加固杆件。依据施工方案中的施工顺序将整体结构、提升装置杆件、临时支撑与加固杆件分成不同的结构组，并分别定义与各结构组相对应的边界组与荷载组模拟结构施工过程中真实的边界条件与荷载情况。通过对各施工阶段结构组、边界组、荷载组的激活与钝化的处理，实现结构施工全过程的仿真计算分析。由于该仿真分析为业内通用的技术手段，故此不做过多赘述。
同时，在有限元软件中将钢连体作为整体在一对主楼单体之间进行提升，如图2所示，有限元分析表明，一次整体提升钢连体时，对主楼单体产生的最大侧向变形约76.4mm，待结构施工成型后该侧向变形仍然无法消除，同时将钢连体作为一个整体提升时，对提升吊点附近的主楼外框柱产生了较大的附加应力，此外还对与外框柱相连的核心筒产生了较大的拉应力，已接近混凝土墙体抗拉设计强度。因此需控制钢连体提升过程引起的主楼侧向变形，减少钢连体提升过程对主楼结构的不利影响，保证钢连体施工成型后结构的应力与形位满足设计使用阶段的要求。
第一步、仅浇筑主楼与钢连体连接楼层的多层主楼外侧楼板，其中浇筑层数为七层。
第二步、将待提升的钢连体预制为先提升单元和后提升单元，钢连体结构共八层，其中先提升单元为两层，后提升单元为六层。
根据钢连体结构形式特点，钢连体由四榀巨型跃层桁架、五道底层承重桁架及次方向钢框架组成，钢连体上部两层人字形桁架可形成稳定结构，故将钢连体分为上部两层与下部六层两个提升单元依次提升。先提升单元包括上部两层，质量较轻，但通过简单的加固措施能保证提升过程结构强度与稳定的上部钢连体结构；后提升单元为余下的重型钢连体结构。
对主楼单体进行施工全过程的仿真分析。钢连体的提升在主楼单体结构施工完成后进行，首先对主楼单体进行施工过程的计算分析。与实际施工进度一致，按内筒领先外筒8-10层的施工顺序及每8-10天施工一层的施工速度，外框筒梁柱领先梁板2层施工，主楼施工至20层，开始施工主楼玻璃幕墙的顺序，同时考虑混凝土的收缩徐变，确定主楼在结构自重与施工荷载下的竖向压缩变形。钢连体结构施工前，除与钢连体连接的主楼楼层部分楼板未浇筑，主楼主体结构的施工完成，同时幕墙施工至钢连体下46层。为保证钢连体施工成型后主楼侧向变形满足要求，浇筑与钢连体连接8层主楼外侧的下部7层楼板（图3）。图3及图4可见，主体结构施工完成后，主楼最大竖向变形为44.1 mm，主楼顶部外偏18.1mm。
在有限元软件中模拟钢连体的提升过程。
先模拟先提升单元的提升过程，将先提升单元提升至设计位置后，立即嵌补其与主楼间的连接杆件，待先提升单元与主楼形成门式整体结构后再提升后提升单元，分两次提升钢连体，单次提升重量小，第一次提升重量仅1650t，引起主楼的侧向变形很小。考虑钢连体施工前与钢连体连接主楼外侧楼板先施工引起主楼外偏的有利影响，提升先提升单元并完成杆件嵌补后主楼仍外偏4.8mm有利于提升下部重型钢连体结构主楼内偏的消除，如图5所示。
完成先提升单元与主体结构的连接后，利用原提升吊点提升后提升单元。先提升单元与主楼形成的门式结构可阻止后提升单元导致的主楼内偏，但后提升单元提升过程中会对先提升单元与主楼连接的结构杆件产生较大的压力，因此加固先提升单元的部分连接杆件，可增加这些连接杆件的壁厚，通过有限元模拟，将杆件截面厚度由700×600×28×32mm增加至700×600×40×50mm，保证钢连体结构施工成型后在后续使用阶段应力为弹性，且最不利组合下结构杆件的应力比小于0.7。计算分析表明，后提升单元被提升至设计位置并完成杆件嵌补后与钢连体连接顶部楼层主楼侧向变形小于10 mm，整个主楼侧向变形小于15mm，如图6所示。此外超高层门式结构的主体结构全部施工完成后主楼侧向仍小于10 mm，整个主楼侧向变形仍然小于15mm，满足施工验收规范要求高度超200m结构总侧向变形钢结构部分不超过80 mm，混凝土部分不超过30 mm的要求，如图7所示。
如图8、图9所示，在钢连体提升前，由于主楼的自重荷载、施工顺序及混凝土的收缩徐变，主楼已发生了竖向变形。提升过程中主楼会进一步发生竖向变形。实际施工过程中，将钢连体提升至设计位置后，通过调整提升吊点的位置，对钢连体与主楼间的嵌补杆件进行竖向找平，保证主楼与钢连体嵌补杆件的安装精度。在有限元计算分析软件中通过调整钢绞线的刚度，实现提升钢连体提升吊点上层主楼与钢连体间嵌补杆件的竖向变形一致，先后提升钢连体找平位置见图8及图9。通过对钢连体与主楼之间嵌补杆件的找平分析，将钢连体与主楼间的嵌补杆件两端竖向变形差控制在2mm内，保证钢连体与主楼间嵌补杆件的安装精度。在此基础上可继续考虑钢连体结构施工成型过程及后续结构设计使用阶段的影响，从而确定钢连体的预变形，保证钢连体先后提升单元与主楼结构之间嵌补杆件的安装精度，指导钢连体结构施工预拱。
进一步考虑钢连体施工成型过程，进行结构使用阶段的性能分析。验证上述钢连体施工方案用于主楼预变形控制的合理性。
首先叠加钢连体施工“活模型”进行结构设计使用阶段的应力分析，考虑钢连体结构施工成型过程，及结构的自重，叠加使用阶段的荷载包括附加恒载、活载、风载及地震荷载进行使用阶段最不利荷载组合，分析设计使用阶段结构杆件的应力水平。确定1.3倍恒载+1.5倍（风载+活载）作用为结构最不利组合，最大的杆件应力出现在钢连体上，如图10所示，此时钢连体杆件最大应力为280 MPa，对于Q460的钢材，结构应力比为0.7，结构杆件均处于弹性，满足结构设计要求。
再叠加钢连体施工“活模型”进行钢连体结构设计使用阶段的预变形分析，考虑结构自重与钢连体结构的施工成型过程，叠加结构使用阶段的附加恒载与0.5倍的活载，确定钢连体在1.0倍恒载+0.5活载下最终的变形如图11所示，由钢连体结构各榀桁架各点的竖向变形减去对应桁架端部的竖向变形确定钢连体结构构件的预拱值。
根据确定的预拱值在第二步中制作钢连体时预拱钢连体。
第三步、布设提升装置，提升装置的布设点设置在钢连体结构顶部与主楼外框柱相连的牛腿节点处，液压提升装置及钢绞线数量由各提升单元重量确定。提升装置的布设为业内通用技术，故此不再赘述。
第四步、加固先提升钢连体单元，提升先提升单元至设计楼层，并嵌补其与主楼之间的连接杆件，嵌补连接杆件前调整提升吊点的位置，竖向找平位置为提升吊点上一层嵌补杆件两端，嵌补先提升钢连体与主楼之间的连接杆件，保证主楼与先提升钢连体之间嵌补杆件的安装精度。
第五步、加固后提升钢连体单元，提升后提升单元至设计楼层，并嵌补其与主楼之间的连接杆件，嵌补连接杆件前调整提升吊点的位置，竖向找平位置为提升吊点上一层嵌补杆件两端，嵌补后提升钢连体与主楼之间的连接杆件，保证主楼与后提升钢连体之间嵌补杆件的安装精度。
第六步、浇筑钢连体及未浇筑的内侧楼板。
本发明通过在主楼施工过程中仅浇筑主楼与钢连体连接楼层的多层主楼外侧楼板，使主楼形成向外的侧向变形，结合先提升钢连体与主楼形成的门式结构对主楼的支撑作用，消除下部重型钢连体提升引起的向内的侧向；同时考虑钢连体施工成型及对设计阶段的影响加固钢连体杆件、调平嵌补杆件并预拱钢连体，控制并减小钢连体结构施工成型对主楼的不利影响，同时保证钢连体成型后满足后续结构设计使用的要求。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超高层顶巨型钢连体提升引起主楼侧向变形的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S.1、施工主楼结构，完成除钢连体与主楼结构连接楼层外其余楼层板的浇筑；
S.2、对主楼结构未浇筑楼板的楼层，浇筑多层外侧楼板；
S.3、将待提升的钢连体在地面拼装为先提升单元和后提升单元；
S.4、布设提升装置；
S.5、提升先提升单元至设计位置，并嵌补其与主楼之间的连接杆件；
S.6、提升后提升单元至设计位置，并嵌补其与主楼之间的连接杆件；
S.7、浇筑钢连体及未浇筑的内侧楼板。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述S.2中通过有限元软件模拟主楼及钢连体结构施工全过程，依据钢连体提升过程及施工成型后主楼顶部侧向变形不超过10mm及主楼最大侧向变形不超过15mm，从而确定S.2中外侧楼板的浇筑层数。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述钢连体的层数为6-10层，所述先提升单元为包括一层或两层上部轻型钢连体结构；后提升单元为余下的下部重型钢连体结构。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述钢连体预制时进行预变形控制，根据确定的预拱值在地面拼装并预拱先提升单元及后提升单元。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：还包括通过有限元软件模拟，采用结构设计与施工一体化分析模拟超高层钢连体结构施工与使用全过程，考虑结构施工成型过程对后续设计使用阶段的影响保证连体结构构件在设计使用阶段最不利组合工况下杆件应力比小于0.7，从而加固主楼与钢连体结构的连接杆件。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述S.3中提升装置的布设点设置在钢连体顶部与主楼外框柱相连的牛腿节点处，液压提升装置及钢绞线数量由各提升单元重量确定。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述S.4以及S.5中嵌补主楼与钢连体间的连接杆件前调整提升吊点的位置，通过有限元软件模拟主楼及钢连体提升过程，对提升吊点上层嵌补杆件端部调平，在软件中通过调整钢绞线刚度实现，保证两端竖向变形一致，从而将钢连体结构与主楼嵌补杆件的竖向变形差控制在2mm内，保证杆件嵌补精度。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述S.2还包括通过有限元软件模拟考虑钢连体施工成型全过程并叠加后续设计使用阶段的荷载，确定在1.0倍恒载与0.5倍活载下的各榀钢连体桁架的预拱值，连体各点对应的预拱值为各点的竖向变形减对应钢连体桁架端部的竖向变形，以保证先提升单元和后提升单元竖向嵌补杆件变形协调，同时钢连体结构施工成型后形位可满足设计要求。
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