雙塔高層懸垂屋面施工模擬研究

摘" 要：采用有限元對雙塔高層懸垂屋面構(gòu)件的變形效應進行施工全過程模擬分析，探究其支承結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)在分析過程中的力學轉(zhuǎn)換關系，并根據(jù)施工模擬結(jié)果確定最終施工方案。該文重點介紹施工模擬過程中的一些思路及探討，如分析懸垂屋面安裝及卸載工序，以及從結(jié)構(gòu)變形、桿件內(nèi)力及穩(wěn)定性方面對其安全性做出評估等，得出的結(jié)論可為現(xiàn)場施工提供有效指導，以期為后續(xù)類似雙塔高層懸垂屋面的施工方案積累實踐經(jīng)驗。

關鍵詞：雙塔高層；懸垂屋面；施工模擬；結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性

中圖分類號：TU974" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0048-04

Abstract： Finite element is used to simulate and analyze the deformation effect of the twin-tower high-rise suspended roof members during the entire construction process， explore the mechanical conversion relationship between the supporting structure and the permanent structure during the analysis process， and determine the final construction plan based on the construction simulation results. This paper focuses on introducing some ideas and discussions during the construction simulation process， such as analyzing the installation and unloading processes of overhanging roofs， and evaluating their safety from the aspects of structural deformation， internal force and stability. The conclusions drawn can provide effective guidance for on-site construction， in order to accumulate practical experience for subsequent construction plans of high-rise overhanging roofs similar to twin towers.

Keywords： twin-tower high-rise building; overhanging roof; construction simulation; structure; stability

懸垂屋面主要是指采用半剛性懸垂網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)，由一系列拋物線型的“懸鏈線”和橫向聯(lián)系梁組成，形成一個空間鋼網(wǎng)殼屋面。作為大型建筑項目中施工難度最大、最復雜的部分，懸垂屋面施工需要解決一系列技術(shù)難題，如高空作業(yè)、復雜節(jié)點的加工及高空安裝、高差臨時支撐的設計與配套設施布置、整體卸載及測量定位等，且其對鋼結(jié)構(gòu)骨架的施工精度提出極高的要求。對于懸垂屋面，楊大彬等、馮曉東等分別分析了兩端直線形和帶彈簧桿裝置的張弦桁架結(jié)構(gòu)的力學性能，合理改進了張弦桁架的結(jié)構(gòu)形式；周嘉駿等采用Tekla Structures軟件對杭州之門項目各部分結(jié)構(gòu)的模型深化設計進行了探討。以上研究未涉及懸簾結(jié)構(gòu)這一新型結(jié)構(gòu)類型，以往的施工方案鮮有適用于懸垂屋面施工分析，因此，對該懸垂屋面進行施工全過程模擬分析非常有必要。

本文利用有限元對懸垂屋面施工模擬分析進行部分說明，研究不同施工階段部分構(gòu)件應力與變形變化的規(guī)律，且分析了季節(jié)環(huán)境溫度變化效應，從而確定了施工方案的合理性，研究成果可為后續(xù)類似雙塔高層工程提供指導。

1" 工程概況

綠地杭州之門項目的辦公塔樓為對稱雙塔結(jié)構(gòu)，雙塔在底部設有跨度約60 m、高度34 m的鋼結(jié)構(gòu)連橋進行連結(jié)。連橋上方設有懸垂屋面體系，并由網(wǎng)狀剛性構(gòu)件“懸掛”在兩塔樓之間。屋面的形狀逐漸傾斜、遠離塔樓，豎向支座在塔樓的第22層。懸垂網(wǎng)格最高點標高為103.4 m，最低點標高為53.08 m，2座主塔樓之間懸掛的屋面和墻面可以分為3個主要部分：懸垂屋面、邊界構(gòu)件及懸掛幕墻。連橋與塔樓結(jié)構(gòu)的關系，如圖1所示。

2" 懸垂屋面施工工藝流程

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合現(xiàn)場施工工況，對于懸垂屋面計劃采用地面分片拼裝、高空整體組裝的施工工藝進行施工。

懸垂屋面的施工工藝流程為：安裝東、西兩端的懸掛封邊梁→網(wǎng)格安裝單元劃分→地面拼裝胎架搭設→高空支撐架搭設→安裝單元地面拼裝→安裝單元高空組裝→南、北兩側(cè)封邊梁安裝→東、西兩端水平拉桿支撐安裝→南、北兩側(cè)的側(cè)墻桿件安裝→懸垂屋面卸載等。

懸垂屋面施工前，對懸垂屋面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行基本安裝單元劃分，網(wǎng)格基本安裝單元主要劃分為田字格形式，田字格安裝單元包含12支鋼梁和9支圓管短柱，每個安裝單元需在地面上進行拼裝。懸垂屋面施工時，先將22層的東、西兩端懸掛封邊梁安裝完成，并在地面上搭設拼裝胎架，根據(jù)安裝單元對胎架進行測量定位，在鋼拱連橋6層上方，搭設高空安裝整體支撐架，同時自地下室頂板安裝相應的格構(gòu)單柱用以支承 14 層以下邊界單元。然后在地面胎架上對安裝單元進行拼裝，將拼裝完成后的安裝單元吊裝至高空支撐架上進行高空組裝。

3" 施工工況模擬分析與方案確定

3.1" 邊界支承模擬

結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的初始計算模型，在實際結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換分析中，通常建立永久結(jié)構(gòu)的完整力學模型，而將臨時支承結(jié)構(gòu)進行簡化，可采用彈簧或簡單的桿件進行模擬。

杭州之門懸垂網(wǎng)格施工時的支承結(jié)構(gòu)主要是建立在鋼連橋結(jié)構(gòu)的樓面上，較直接從地面而起的單柱支承，支承本身就是一個復雜的結(jié)構(gòu)，難以從幾何組成上進行平面或空間分割，因而，采用等代桿件的方法難以對其支承進行簡化。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換分析中，一種方法是直接將臨時支承結(jié)構(gòu)與永久結(jié)構(gòu)進行整體建模得到混合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型，同時采用“僅受壓”特性的彈性連接單元可真實模擬支承點與主體結(jié)構(gòu)的支承關系。另一種方法是可參照復雜的臨時支承結(jié)構(gòu)簡化方法，直接計算支承點處臨時支承結(jié)構(gòu)的彈簧剛度，然后將臨時支承結(jié)構(gòu)簡化為所支承自由度方向的一組互不關聯(lián)的單向彈簧，但不能考慮臨時結(jié)構(gòu)自身的聯(lián)系，即不能考慮各彈簧之間的耦合影響。

3.2" 施工方案全過程模擬工況

為了正確反映該懸垂屋面結(jié)構(gòu)在施工過程中及施工完成后的受力狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)總體分析模型中，將n個主要安裝步驟結(jié)合卸載方案共分成 23個控制性施工階段，分別以CS1～CS23來表示，支承框架結(jié)構(gòu)計算模型如圖2所示。

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)支撐方案及其受力特點，考慮懸垂網(wǎng)格和邊界單元都由臨時支承框架支承（即所有安裝荷載由連橋支承），并按對稱分區(qū)塊，從上往下逐步拆除支承桿件的卸載方案，對每一區(qū)塊的支承桿件一次性卸載，不再通過千斤頂控制每個點位進行逐步卸載。

全過程施工模擬分析按照既定的施工工況、相應邊界條件，來模擬分析安裝和卸載過程每一分析步結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力變化情況。工況CS1～CS14為懸垂結(jié)構(gòu)的安裝過程，CS15為側(cè)墻桿件的安裝過程，工況CS16～CS22為支承結(jié)構(gòu)分批、分塊卸載過程，工況CS23為鋼拉桿施加預應力。懸垂屋面施工安裝荷載按結(jié)構(gòu)自重的20%考慮，計算時將結(jié)構(gòu)的自重系數(shù)取1.20。以下截取部分的變形和應力云是施工模擬計算結(jié)果，如圖3所示。

工況CS1為22層懸挑桁架安裝步，自重作用下節(jié)點最大位移為0.89 mm，懸挑桁架的最大Von-Mises應力為9.2 MPa，整個懸垂結(jié)構(gòu)懸掛桁架和封邊梁具有較好剛度。

工況CS2～CS6為懸垂安裝步，14層以上懸垂屋面主要以懸掛的方式，輔以水平側(cè)向支承安裝，工況CS4安裝結(jié)束，懸掛網(wǎng)格部分最大節(jié)點位移為3.2 mm，其僅限于靠近封邊梁的跨中區(qū)域，大部分節(jié)點均處于較小的位移狀態(tài)，14層以下的懸垂節(jié)點的節(jié)點位移大部分均在2 mm以內(nèi)。

工況CS7～CS13為懸垂邊界單元安裝步，從上往下懸掛安裝，在拼接點以側(cè)向和豎向臨時支承，14層以上懸垂邊界在安裝過程中在對應塔樓每層樓層處均設有水平支承，懸垂節(jié)點的位移接近0；14層以下懸垂邊界單元安裝，由于在模擬分析過程中沒有在每個節(jié)間設置支承點，最大的節(jié)點位移達到3 mm，且水平和豎向位移分量較接近；整個安裝過程中，懸垂邊界單元均處于較低的應力狀態(tài)（小于10 MPa）。

工況CS15為側(cè)墻單元安裝步，安裝過程中懸垂網(wǎng)格均處于臨時支承狀態(tài)，懸垂邊界單元節(jié)點的位移增大到10 mm，懸垂桿件的最大應力達到70 MPa，大體量的側(cè)墻桿件荷載施加，導致懸垂邊界附近東西方向的懸垂網(wǎng)格桿件應力驟增，此工況下懸垂邊界單元和大部分中間的懸垂單元均處于較小的應力狀態(tài)（小于15 MPa）。

工況CS16～CS18為14層以上懸垂臨時水平支承逐步卸載步，在CS16～CS17卸載過程中，臨時支承卸載處的懸垂網(wǎng)格節(jié)點位移沒有發(fā)生較大變化，桿件應力變化較小，工況CS18中的臨時支承卸載之后，15～17樓層處懸垂網(wǎng)格節(jié)點位移變化較大，多數(shù)節(jié)點位移達到5 mm，且主要為X向水平分量位移，說明隨著卸載的不斷進行，結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)換到自由受力狀態(tài)。

工況CS19～CS22為14層以下懸垂臨時豎向支承逐步卸載步，在逐步卸載過程當中，結(jié)構(gòu)不斷趨近于自由受力狀態(tài)，靠近懸垂邊界單元的最終位移最大為15.3 mm，頂部邊界單元最大應力為71.4 MPa，內(nèi)部懸垂單元應力均較小。

根據(jù)施工全過程模擬計算的懸垂網(wǎng)格最終變形值，豎向位移較大的節(jié)點主要集中在懸垂邊界單元及其鄰近的2～3條懸鏈網(wǎng)格（i21～i23），且這些節(jié)點同時伴有Y向（南北）位移，主要集中在j4～j10格懸垂邊界單元附近。豎向位移最大的是13.36 mm，同時伴有最大的Y向水平位移7.48 mm。同時在i1～i4（東西各8格網(wǎng)格）內(nèi)的節(jié)點豎向位移大多大于6 mm，懸垂網(wǎng)格對稱中心點豎向位移為7.7 mm。X向水平位移較大的節(jié)點主要集中在懸垂網(wǎng)格的中上部，X向水平位移最大的是6.77 mm，其豎向節(jié)點位移為2.0 mm。

根據(jù)施工全過程模擬各卸載步的臨時支承反力（截取部分數(shù)據(jù)如圖4所示），工況CS13-X～CS18-X是14層以上每個懸垂臨時水平支承點的反力值，工況CS13為懸垂網(wǎng)格拼裝完成工況，每個支承點的反力根據(jù)支承點剛度差異，內(nèi)部懸垂支承點最大水平反力為4.1 kN，懸垂邊界支承點的反力相比內(nèi)部節(jié)點較大。工況CS16-X～CS18-X為臨時水平支承卸載工況，整個卸載過程基本無支承點出現(xiàn)反力跳躍的點。工況CS13-Z～CS21-Z是14層以下每個懸垂臨時豎向支承點的反力值，工況CS13為懸垂拼裝完成工況，在臨時支承框架柱對應的支承點反力可達到17.1 kN，部分在支承次梁跨中的臨時支承反力為0。工況CS16-Z～CS18-Z為14層以上臨時水平支承卸載工況，整個卸載過程14層以下各臨時支承點的豎向反力無較大變化。

整個卸載過程中靠近邊界單元的支承點支承反力較大，局部個別支承點反力增幅較大，對下部連橋6層懸挑端樓面施加過大施工荷載，導致較大結(jié)構(gòu)變形，需在支承框架設計中進一步確認，結(jié)構(gòu)尚可順利由臨時支承狀態(tài)轉(zhuǎn)換到自由狀態(tài)。

因此，臨時支承結(jié)構(gòu)在卸載過程中將按照上述方案卸載，先對懸垂網(wǎng)格每一區(qū)塊的支承桿件分批一次性卸載，直至卸載完成。

3.3" 懸垂屋面施工過程中季節(jié)環(huán)境溫度變化效應分析

由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的跨度大、造型工藝復雜等，結(jié)構(gòu)在形成和使用時會產(chǎn)生較大的溫度變形和溫度應力，其大小和結(jié)構(gòu)形成后和使用時的溫度差有著直接的關系。在施工過程中的極限溫度應力和溫度變形，一般采用分塊分區(qū)域安裝的方法，然后再將各個獨立的板塊連接成為一個整體，在此合攏過程中，鋼構(gòu)件的平均溫度即為合攏溫度，它和合攏時的大氣溫度有所區(qū)別，是結(jié)構(gòu)使用過程中的溫度基準點。根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖的約定，杭州之門懸垂網(wǎng)格的合攏溫度為（15±5）℃。

經(jīng)過各變形云圖分析施工模擬計算的溫度工況（僅考慮季節(jié)性溫差），懸垂屋面施工過程應根據(jù)施工組織計劃嚴控施工進度，避免在高溫季節(jié)進行懸垂網(wǎng)格合攏工作。施工過程中安裝監(jiān)測工作應考慮升溫、降溫對結(jié)構(gòu)整體變形的影響，在實際工程過程中，應在沒有日照的條件下布設溫度測量基準點，以減少日照作用對測量結(jié)果產(chǎn)生的系統(tǒng)性影響。臨時支承框架14層以下的懸垂網(wǎng)格支承梁應采取降低溫度變形措施，如通過設置鉸接連接來釋放鋼梁之間的約束效應等。

4" 結(jié)論

1）根據(jù)全過程施工分析得到臨時支承反力結(jié)果，部分支承點的反力為0，在安裝及卸載過程中注意支承點支承可靠。

2）由各節(jié)點位移變形曲線結(jié)果，可知在現(xiàn)有支承條件下，14層以下懸垂桿件安裝過程中，尤其在i1～i20范圍的懸垂桿件，后一步懸垂網(wǎng)格的安裝荷載對之前已安裝結(jié)構(gòu)帶來的變形影響較小。

3）對懸簾結(jié)構(gòu)安裝、卸載及卸載工序進行有效分析并從結(jié)構(gòu)變形，桿件內(nèi)力及穩(wěn)定性方面對其安全性做出評估，得到的結(jié)果可為工程現(xiàn)場提供有效指導。

4）通過對懸簾結(jié)構(gòu)施工過程季節(jié)環(huán)境溫度變化（升溫和降溫）進行效應分析，建議施工現(xiàn)場應根據(jù)施工組織計劃嚴控施工進度，避免在高溫季節(jié)進行懸垂網(wǎng)格合攏工作，合攏溫度控制在基準溫度（15±5） ℃。

5）施工過程中安裝監(jiān)測工作應考慮升溫、降溫對結(jié)構(gòu)整體變形的影響。

6）臨時支承框架14層以下的懸垂網(wǎng)格支承梁應采取降低溫度變形措施，如通過設置鉸接連接來釋放鋼梁之間的約束效應等，降低臨時支承結(jié)構(gòu)溫度變形措施應在支承結(jié)構(gòu)設計中體現(xiàn)。

7）連橋結(jié)構(gòu)在施工過程中通過局部加強（臨時支承柱和鋼拱臨時支撐等），其承載能力、結(jié)構(gòu)變形剛度及穩(wěn)定性均能夠滿足相應規(guī)范限值要求。

8）懸簾結(jié)構(gòu)施工過程中且未卸載之前，連橋3層、6層懸挑樓面不允許出現(xiàn)大面積堆載，以控制連橋樓面懸挑端在施工過程中的變形。

施工模擬分析結(jié)果表明，施工階段結(jié)構(gòu)處于安全可控狀態(tài)，對于雙塔高層懸垂屋面結(jié)構(gòu)來說，該施工方案切實可行，今后可為類似工程提供參考。

參考文獻：

[1] 楊大彬，劉斌，魏曄，等.兩端直線形張弦桁架結(jié)構(gòu)的力學性能研究[J].工業(yè)建筑，2020，50（10）：138-144.

[2] 馮曉東，劉圣威，楊偉家，等.帶彈簧桿裝置的張弦桁架結(jié)構(gòu)力學性能研究[J].鋼結(jié)構(gòu)（中英文），2021，36（7）：1-8.

[3] 周嘉駿，陳鵬，陳默.杭州之門項目鋼結(jié)構(gòu)模型設計思路探討[J].建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（S1）：1415-1421.

[4] 謝偉平，吳延浩，任路，等.高層弱相關懸掛結(jié)構(gòu)施工模擬研究[J].武漢理工大學學報，2023，45（9）：61-68.