施工模拟分析是考虑施工过程结构荷载、材料、刚度、变形等因素时变效应的全过程分析。施工模拟在结构设计与施工方案分析中发挥着重要作用。随着高层及超高层建筑的发展, 施工全过程模拟的研究^[1,2,3]逐渐深入, 各学者也对其重要性有了较充分的认识^[4,5,6]。

　　 相较普通单塔楼建筑, 超高层连体建筑的结构体系更为复杂, 在施工过程中, 尤其是连接体施工前后, 结构基本的力学模型将完全不同^[7,8]。从某种程度来讲, 对于超高层连体结构, 按照实际施工方案进行全过程分析应该视为结构设计的“强制性条文”。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) 也明确规定, 高度超过200m的高层建筑和复杂结构应进行施工模拟分析, 这也是结构弹塑性计算分析的初始条件。

　　 南京金鹰天地广场项目占地面积约5万m², 总建筑面积约90万m², 地上部分由裙房 (共9～11层) 及三栋超高层塔楼 (塔楼A、塔楼B、塔楼C) 组成^[9]。三栋塔楼在192～232m范围的高空通过6层高的平台连为整体, 空中连接体最大跨度超过70m。三栋塔楼与裙房间通过设置防震缝分为独立的结构单元。建筑效果与塔楼标准层结构平面见文献[9]。

　　 南京金鹰天地广场连接体转换桁架已于2017年10月整体提升就位, 见图1。提升的转换桁架重约2 800t, 提升高度130.3m, 提升速度平均每小时2m, 总耗时约9d, 创造了钢结构施工安装的新记录。施工阶段监测数据与理论分析结果吻合较好。

　　 空中连接体总高度超过40m, 共6层, 跨度超过70m。空中平台周边通过5层高的钢桁架 (简称连接体主桁架) 与主塔楼相连 (图2 (a) ) , 连接体主桁架与环绕三栋塔楼的环形桁架连通 (图2 (b) ) , 确保三栋塔楼在侧向荷载作用下的共同工作, 发挥连体结构的整体抗侧作用。空中连接体最下层设置双向正交转换桁架 (简称连接体转换桁架) (图2 (c) ) , 以承担空中平台的竖向荷载。转换桁架上承托的5层次要结构采用钢框架体系, 最终形成完整的空中连接体。

　　 由于空中平台位于200m左右高空, 且跨度大、空中组拼难度很高, 为保证钢结构整体安装的质量和精度, 经过多次的技术分析、讨论及比较, 最终确定了空中平台于裙房屋面拼装完成后整体提升的施工方案。该方案将空中平台转换桁架构件以及部分钢次梁在塔楼主体结构施工的同时, 于裙房屋面拼装完成, 三栋塔楼在45层框架柱上安装提升钢牛腿进行整体提升。整体提升完毕以后, 即可把转换桁架层作为施工操作面, 完成空中平台其余5层的钢结构安装。

　　 空中平台的施工方案主要分为三个阶段, 施工流程详见图3。阶段一为连接体转换桁架拼装。结合施工进度与现场实际情况, 待裙房封顶后, 在空中平台的垂直投影屋面位置设置拼装胎架, 进行连接体转换桁架的安装。阶段二为连接体转换桁架整体提升。三栋塔楼完成至少46层 (转换层以上2层) 时, 采用12台穿心式千斤顶对转换桁架进行整体提升, 千斤顶主要布置在楼面标高处的框架柱上, 如图4所示, 提升点的平面布置见图5。阶段三为连接体转换桁架以上钢结构安装。连接体转换桁架提升到位并嵌固后, 浇筑转换层楼面混凝土。待混凝土达到设计强度后, 形成完整的工作面, 再进行上部钢框架和剩余连接体主桁架的散拼施工。

　　 整体提升的转换桁架部分总质量约2 800t, 在裙房屋面进行拼装时, 共设置40根临时支撑, 所有临时支撑均设置在框架柱或框架梁上, 为了避免部分支撑落在裙房报告厅屋面大跨度钢梁上, 该范围内的支撑向下延伸落在相邻下一层的框架柱或框架梁上, 见图6。

　　 初步验算发现, 部分框架梁承载力不满足拼装工况要求, 需在这些框架梁下方增设斜支撑, 将竖向荷载直接传导至相邻的框架柱上。表1, 2为部分框架梁和框架柱的计算结果, 可以看到, 裙房部分相关的主体结构构件承载力均满足施工阶段要求。

　　 在一次性加载方案中, 转换桁架为一阶段受力, 桁架两端与主塔楼刚性连接, 楼面刚度完全形成, 所有设计荷载一次性施加, 如图7所示, 其中g为竖向恒载, q为竖向活载。而根据实际施工方案, 桁架处于两阶段受力状态, 如图8所示。在整体提升过程中, 桁架受力状态为两端铰接, 无混凝土楼板, 荷载仅为钢结构自重g₁;在桁架提升就位, 并嵌固安装以后, 形成两端刚接的最终受力状态, 增加的荷载为后期附加恒载g₂与使用活载q。在这两种受力状态下, 转换桁架的变形与应力状态有着显著的差异。

　　 表3为其中两榀桁架在不同工况下的竖向挠度, 从表中可以看到, 考虑整体提升的施工模拟后, 两榀桁架在正常使用阶段挠度分别增加30, 18mm;图9为结构自重作用下的连接体转换桁架在不同工况下的变形云图, 结果显示, 考虑了施工过程以后, 桁架1的挠度为48mm, 反而超过了桁架2的挠度 (40mm) , 这与一次性加载方案有着本质的区别。在确定桁架预起拱值时, 较理想的状态是自重作用下楼面保持水平, 确保混凝土的实际浇筑厚度较为均匀, 因此必须准确考虑施工全过程的影响。

　　 图10为连接体转换桁架在一次性加载方案和考虑施工全过程方案下的应力云图, 通过对比可以发现, 在考虑了实际施工方案以后, 桁架构件的最大拉应力由119MPa增大到183MPa, 最大压应力由126MPa增大到143MPa。因此对于连接体转换桁架的部分构件, 不进行施工全过程分析是偏于不安全的。

　　 本项目在桁架的实际设计中, 考虑了两阶段受力的特性。图11 (a) 为提升阶段的桁架应力状态, 此应力为连接体转换桁架安装就位时的初始应力比。图11 (b) 为后期增加的桁架应力, 后期增加的荷载主要为除结构自重外的其他附加恒载以及活载, 两者之和为转换桁架最终的受力状态。总体来看, 相较一次性加载方案, 考虑施工过程影响的桁架跨中部位构件应力普遍增大, 靠近支座处的构件应力略有减小。

　　 本项目中整体提升的转换桁架为双向交叉, 嵌固点数量多, 对施工精度的要求较高。采用同步控制提升, 12个提升点共布置24个提升器, 每个提升器配有行程传感器, 计算机通过传感器反馈进行荷载与位移双重控制与自动校正, 确保各提升器之间的最大高差不超过10mm。此外, 为了消除最终提升到位后的误差, 各榀桁架端部均预留嵌补段, 同时在吊点位置对应增设临时杆件, 以在提升过程中形成完整的桁架, 见图12。

　　 为了确保桁架安装就位以后与主塔楼的可靠连接, 在设计时各转换桁架均向塔楼范围内延伸一跨, 最终连接到核心筒, 如图13所示。核心筒剪力墙与各桁架连接处, 上下弦杆仍需进一步锚入混凝土 (图14) , 尤其是对于连接部位核心筒无翼墙的情况, 锚固长度 (a+b) 根据使用阶段弦杆的设计轴力计算确定。

　　 根据实际施工进度, 转换桁架整体提升时, 各塔楼处于相对独立的状态。其中, 塔楼A外框施工至46层 (楼板浇筑完毕, 且达到设计强度) , 塔楼B、塔楼C结构封顶, 整体提升过程中的分析模型见图15。此时各吊索拉力对塔楼产生一定的附加倾覆力矩, 各提升点最大支座反力见表4, 提升点编号位置见图5。图16为各塔楼的水平位移情况, 其中括号内数值分别代表X向和Y向的变形值, 可以看到, 提升过程中各塔楼主要产生X向变形, 使得塔楼间的距离减小, 最大水平变形值为5mm左右。该水平变形需在施工方案与构件深化制作中予以考虑, 确保提升过程中拉索的垂直度与提升就位后的安装精度。

　　 同时, 各千斤顶的实际作用点与塔楼框架柱中心距离为3.78m (图17) , 为减小对应框架柱的附加偏心弯矩, 千斤顶三角支架的上下作用点均设置在楼面位置, 使得水平荷载首先传递至楼板。转换桁架整体提升过程中, 主体结构构件产生的内力在施工完成后不可消除, 相较未考虑提升影响的施工图设计工况, 此初始内力应附加到设计内力中。表5为塔楼A的搁置千斤顶支架的某框架柱内力分析结果, 计算结果显示, 在结构自重作用下, 提升工况中框架柱不会出现受拉的情况。同时相较施工图设计, 该施工方案对框架柱轴力的影响很小, 但是会增加接近20%的剪力和弯矩。经计算复核, 结合施工图设计工况下的各框架柱具有足够的安全储备, 考虑整体提升方案的附加内力后, 承载力仍满足设计要求。

　　 为保证施工过程的安全, 并检验施工模拟分析结果, 本项目对桁架主体构件、临时加固构件以及提升支架进行了应力和变形监测, 测量设备分别为振弦式应变计、倾角计以及全站仪。主体结构每根杆件跨中对称布置4个应变计, 应力测点共12个, 主要为提升过程中桁架受力较大的典型竖腹杆、斜腹杆以及上下弦杆, 监测桁架位置见图18。

　　 现场数据采集传输至监控系统, 可实时查看任意测点的指标变化状态, 并可与预警上下限比较, 当监测数据超过安全预警值时, 监测系统将及时报警。预警阈值根据以下原则确定:1) 根据构件承载力设计结果、有限元模拟分析结果、工程经验等确定应力应变预警阈值; 2 ) 设定两级预警, 预警指标分为黄色和红色两级, 黄色时为预警阈值的50%、红色时为预警阈值的70%;本工程的预警指标如表6所示, 应力值单位为MPa。需要注意的是, 若构件为压杆, 预警阈值应为杆件稳定临界应力, 表中预警值应乘以相应的稳定系数φ。

　　 由于结构体系的特殊性, 南京金鹰天地广场空中连接体采用了先在裙房屋面拼装, 然后整体提升的施工方案。在连接体转换桁架的拼装和提升以及嵌固的全过程中, 主体结构和连接体转换桁架的受力状态发生较大的改变, 必须在设计中予以准确的分析。通过对该施工方案全过程的模拟和分析, 得到以下主要结论:

　　 (1) 桁架层在裙房屋面进行拼装, 临时支撑均需设置在框架柱或非大跨度框架梁上, 框架梁下方宜增设斜支撑, 将竖向荷载直接传导至相邻的框架柱上, 同时应对相关主体结构构件进行承载力验算。

　　 (2) 施工全过程中, 桁架处于两阶段受力状态, 相较一次性加载方案, 桁架跨中部位的构件应力普遍增大, 靠近支座处的构件应力略有减小。考虑整体提升的施工模拟后, 连接体转换桁架的挠度均有不同程度的增大。在确定桁架预起拱值时, 必须准确考虑施工全过程的影响。

　　 (3) 为了确保转换桁架与主塔楼的可靠连接, 连接体转换桁架应向塔楼范围内延伸一跨, 与核心筒连接。同时, 桁架弦杆需根据端部内力计算结果进一步锚入混凝土结构构件中。

　　 (4) 连接体转换桁架整体提升过程中, 各塔楼处于相对独立的状态, 塔楼间产生一定的相对变形, 需在施工方案制定与构件深化制作中予以考虑, 以确保提升过程中吊索的垂直度与提升就位后的安装精度。同时, 由于提升时吊索的偏心影响, 各塔楼和框架柱产生一定的附加弯矩。在本项目中, 构件最大附加内力接近原设计工况的20%, 需进行构件承载力复核。