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倾斜高层建筑施工原理及实施

作者：郭彦林    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]
（清华大学土木工程系 郭彦林 董全利 林冰面 刘学武）
    （清华大学土木工程系 郭彦林 董全利 林冰面 刘学武）

    [摘 要] 随着经济的发展和大众审美观的不断改变，新近出现了大批不同于常规理念的建筑结构。其中倾斜高层/高耸以其独特的视觉效果得到了建筑师的青睐。目前世界上比较著名的有倾斜建筑——西班牙马德里的”欧洲之门”姊妹塔、巴塞罗那通讯塔以及CCTV新台址主楼等。倾斜建筑是对地球引力的公然对抗，由于施工过程中不断增加的荷载对结构造成的附加弯矩作用引起的结构变形不可忽略，因而必须考虑结构的几何非线性和P-Δ效应。并且，施工过程中每一步构件的定位和加工尺寸的确定，都与施工方案密不可分。对这类结构必须进行施工全过程动态跟踪分析，才能保证最终的位形满足设计要求。倾斜高层结构的建造及合理的施工组织方案具有较大的难度。本文针对倾斜高层结构工程的施工初始位形、分步安装位形和加工预调值等关键问题进行研究，并结合单杆倾斜结构和CCTV新台址主楼有限元简化模型分析，提出了解决这类问题的思路及方案，对倾斜高层结构的施工有借鉴意义。
    [关键词] 倾斜结构；施工方案；倒拆法；预调值

    1 概述
    始建于1173年的意大利比萨塔,最初作为教堂的钟楼设计。在修建过程中，由于地基的不均匀沉降而发生倾斜，在此后的800多年间倾斜程度不断发展，并因此成为闻名于世的一大建筑奇观。比萨斜塔高约54米，塔顶偏离4.6米，于竖直平面的倾斜角约4.9度。倾斜建筑给人以强烈的视觉震撼，更容易吸引公众的注意力。现代建筑师由此受到启发，设计出一批具有独特视觉效果的倾斜建筑。较为著名的有：现代第一幢倾斜建筑—西班牙马德里的“欧洲之门”姊妹塔、巴塞罗那通讯塔，CCTV新台址主楼等。

    图1 马德里“欧洲之门”姊妹塔

    图1为西班牙马德里的“欧洲之门”姊妹塔（Puerta de Europa），于1989～1996年兴建。

    每个塔楼各有26层，高度114米。为了避开地下地铁站和地上部分的规划商业街区，两塔不得不分开，这样人为割裂了两塔楼的密切联系。建筑师通过把二者相对倾斜（与竖直平面的倾角达15度）呈门形隔街相望，巧妙地建立了两座塔楼相互呼应的关系。因位于马德里商业街的最北端，故称欧洲之门（Gateway of Europe）。图2为西班牙巴塞罗那通讯塔（Torre Montjuic），建于1989～1992年。主体高度约88米，天线高度136米。

    CCTV新台址新台址主楼呈闭合的环形，由两座双向6°倾斜的斜塔，连接两座斜塔顶部的14层高的悬臂部分，以及9层裙房构成。塔楼1最高点标高234米。两座斜塔及裙房下设三层整体地下室。两个塔楼的平面尺寸分别为 和 。总建筑面积约40万平方米。见图3。

    倾斜建筑是对地球引力的公然对抗，由于施工过程中不断增加的荷载对结构造成的附加弯矩作用引起的结构变形不可忽略，因而必须考虑结构的几何非线性和 效应。并且，施工过程中每一步构件的定位和加工尺寸的确定，都与施工方案密不可分。对这类结构必须进行施工全过程动态分析，才能保证最终的位形满足设计要求。倾斜高层结构的建造及合理的施工组织方案具有较大的难度。本文针对倾斜高层结构工程的施工初始位形、分步安装位形、加工预调值等等关键问题进行研究，并结合单斜杆倾斜结构模型和CCTV新台址主楼简化模型的方案制定及施工过程分析，提出了解决这类问题的思路及实施方法。
    2 倾斜结构的施工关键问题及对策
    2.1 施工各阶段位形及加工预调值概念
    一个建筑从设计、施工到最终交付使用，经历多个不同的阶段，每个阶段都对应着不同的位形。包括设计位形、施工初始位形、分步安装位形以及加工预调值等：
    设计位形是由施工图给出的业主所期望的建筑结构终了形式，即已经考虑了内外装修、机电设备和照明、给排水管道等荷载，但尚未入住时的状态，是建筑竣工验收所要求达到的结构几何位置。
    施工初始位形是安装第一步构件时结构的初始位置，由设计位形经加载反复叠代计算得到。为了满足设计要求，承建方必须考虑施工过程中结构的累积变形对整体结构的影响以及每一施工荷载步构件的安装位置和加工尺寸。具体来说，就是先找出建筑结构的施工初始位形，然后严格按照施工次序模拟计算，求出每一施工荷载步对应的结构位形，如此才能使完成的建筑满足业主和设计要求。在此基础上按照拟定的施工次序进行操作，才能保证施工终了状态的位形满足设计位形容差要求。确定施工初始位形是整个模拟计算分析的关键，也是计算下面分步安装位形和加工预调值的基础。
    分步安装位形是在完成每一步构件的施工时，已完成部分结构达到的位形，以及安装下一步构件的定位坐标。通过动态跟踪模拟计算，可得到施工每一分步的安装位形，确保最终位形与设计位形吻合。
    加工预调值：由于施工过程的荷载累计效应与设计采用的一次加载不同，而使构件的实际加工尺寸与设计尺寸有所差异，构件加工尺度与设计尺度之差，即为加工预调值。严格地说，任何结构竖向承力构件的实际加工长度与结构最终成形的长度都是不同的，而且结构越高、位置越靠近底部，差异越明显。对于倾斜结构，由于附加弯矩的作用，这种差异表现得更加突出：如结构倾向一侧的柱受到重力荷载和附加弯矩产生轴向压力的共同作用，会产生很大的压缩变形，因而要求柱子的加工长度必须大于设计长度，才能保证结构完工时的位形满足使用要求；相反，倾斜结构背侧柱受到重力荷载作用和附加弯矩产生的拉力作用有一部分会相互抵消，故而底部柱的压缩变形相对较小，并且接近顶部时，有可能在柱中出现拉力而使构件的完成长度大于构件加工长度，此时柱的预调值为负。
    对倾斜结构而言，准确预测每一阶段结构的变形及内力状况，尤为重要。这是因为体系的位形及内力由于二阶效应的影响而随施工的进程不断改变，具有明显的时变力学特征，只有依照拟定的施工方案，对其进行全过程跟踪模拟分析，才能准确确定结构在各施工阶段的位形和内力，保证结构最终成形状态符合业主需求。



    采用大型分析软件ANSYS的坐标更新功能，可以准确地实现施工初始位形的算法。图6为施工初始位形的叠代过程示意图，纵轴为斜杆的平均斜率，横轴为叠代次数。可见，该算法具有较好的收敛性。为验证其稳定性，进行了大量的变参数分析，主要变量为杆件的刚度和集中荷载的大小，分析结果表明除刚度极小（如斜杆的弹模取到正常值的1/20以下）和荷载极大等极端情况，结构变形过多导致算法不收敛外，对通常意义下的建筑结构，具有广泛的通用性。

    分步安装位形的确定：在得到正确的施工初始位形后，施加所有荷载后即得到设计位形。然后按照与施工过程完全相反的顺序，依次去掉每层的集中荷载和杆件，计算新的结构位形和构件内力，即为结构施工到该位置时的分步安装位形和内力。这种方法称为倒拆法，它通过从成形状态倒拆构件（荷载）的方式逐步进行结构分析得到每一施工阶段结构的位形和内力状况。在桥梁的施工计算中有广泛的应用。随着荷载的清除和杆件的拆除，杆件将从设计位置逐步“回弹”，直至完全卸载，与施工初始位形重合。图7为“倒拆法”过程示意：图形的上、下包络线分别表示施工初始位形和设计位形，中间曲线分别为各分步的位形，其中脚标b表示删除集中荷载后相应步的位形，脚标a表示拆除该步构件后的位形。如Step5b为拆掉顶部集中荷载P5时结构的位形，Step5a为拆除第五层构件L5时结构的位形，节点4~5对应的位置就是施工到该处时第五层柱的分步安装位形。同理可以找到第2到第4步的分步安装位形Step2a~Step4a；最后得到的第一步分步安装位形就是施工初始位形。
    利用ANSYS单元生死命令EKILL、EALIVE，可以很方便地实现施工过程的模拟。方法是在施工初始位形基础上，先杀死所有单元，然后再按施工次序逐步激活每层杆件并施加楼层集中力（也称“正装法”），就可以得到与倒拆法完全相同的结果。在后面的分析中，均采用正装法实现。
    加工预调值的确定：在得到分步安装位形的同时，其实也找到了构件的加工预调值，或构件的实际加工长度。如图7，Step 5a 为第五层柱的分步安装位形，而节点4~5对应的分步安装位形曲线上的杆件尺寸就是该柱的实际加工尺寸（加工预调值）。同样可以求得每层柱的加工预调值。

    3 CCTV简化模型分析

    a 合拢后整体模型 b 合拢前整体模型

    c 合拢后简化模型 d 合拢前简化模型
    图8 CCTV主楼FEM完整模型及简化模型

    如前所述，CCTV新台址主楼底部两塔楼不但沿两个方向呈6°倾斜，并且在163米标高处各自伸出悬挑长度达75米、高度14层、重量1.4万余吨的巨大悬挑并连为一体，其有限元完整模型及简化模型见图8，简化模型选结构最外侧两榀外框架，略去中间跨的柱和支撑，按 比例缩尺而成。这里选择简化模型目的在于更方便地阐述分析原理和过程。这种倾斜及闭合的门架结构与单纯的倾斜结构有很大不同。CCTV主楼施工初始位形和分步安装位形的确定具有更大的难度，主要表现在：
    （1）两个塔楼在平面两个方向上双向倾斜，且倾斜角度较大。按照230米高度计算，顶层平面偏离底层距离达24米，超过塔楼在该方向边长的40%；
    （2）施工过程中结构的变形趋势不一致。与单一的倾斜建筑自始至终沿一个方向变形的情形不同，CCTV新台址主楼在顶部悬挑段连接前后，结构的变形趋势发生突变：在悬挑段合拢前，两个塔楼分别在各自的倾斜方向上变形，互不影响；但当悬臂部分合拢后，两个双向倾斜的塔楼通过悬臂段互相起侧向支撑作用，限制了二者变形的进一步发展，此后两塔楼连同悬臂部分开始作为一个整体，主要在悬臂部分荷载作用下协同变形。同时，悬挑段的巨大弯矩作用，使塔楼顶部产生背离倾斜方向的变形。采用单斜杆模型一次找形的方式不能真实反映结构的实际变形形态，当然也就不能准确地找到初始施工位形及分布安装位形。
    基于上述原因，初始施工位形及分布安装位形的确定采用两阶段方法确定。合拢后阶段和即将合拢阶段。分别见图7a、7c和图7b、7d。
    首先，计算竣工状态下结构的整体初始位形A，算法与斜杆模型相同。合拢后后续安装的悬臂段构件即以此值为其初始位形。然后，以位形A作为合拢前两塔楼的目标位形，再计算每个塔楼的初始位形B，对塔楼而言，初始位形B是两次预调值之和，也是整个建筑的施工初始位形；图9是由设计位形得到的整体初始位形A，以及由整体初始位形A得到的塔楼初始位形B，三者的位置关系。


    在求得初始位形B、A后，按照上述与计算单斜杆同样的方法“正装法”，逐步激活每部分杆件，得到结构的分步安装位形和构件实际加工尺寸。图10为模拟施工过程。图9a~9f分别表示塔楼底部、顶部、悬臂段施工以及悬臂段合拢、悬挑段上部楼层安装和竣工状态等六个阶段。虚线为施工到该步时构件的分步安装位形。


    4 结论
    随着经济水平的提高和建筑师审美观的不断创新，类似CCTV新台址主楼这样倾斜、非常规的建筑不断涌现，其设计和实施备受世人关注。对这类结构必须进行施工全过动态分析，才能保证最终的位形满足设计要求。倾斜高层结构的建造及合理的施工组织方案具有较大的难度。本文通过对几个简单的有限元模型的分析，论述了解决这类倾斜高层钢结构施工难题的思路和方法，得到了一些有益的结论，主要有下面几点：

    （1）给出了施工初始位形找形原理和叠代算法，该算法具有较好的收敛性，普遍适用于各类复杂结构的初始位形求解。
    （2）应该注意的是，采用“倒拆法”或“正装法”得到的分步安装位形和加工预调值，是在假定的设计参数和施工方案的前提下得出的。计算时由于采用的诸如材料弹模、密度、本构关系；构件的尺寸、荷载条件等与实际工程中不可能完全一致，所以，必须根据施工过程中所检测到的实际数据对原假设参数进行调整，以最大限度消除参数误差的影响。

    （3）对CCTV新台址主楼这样复杂的高层结构，对基础沉降和温度应力的影响也相当敏感。在施工跟踪计算时，应根据施工监测到的地基沉降、不均匀温度场的影响等结果，及时对设计参数和相应位形进行调整，以确保施工进程的安全和成形的准确。

    参考文献：
    [1] Ove Arup & Partners Hongkong Ltd, 中央电视台新台址结构扩初设计报告，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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