0 引言

　　随着超高层建筑在国内的兴起，整体顶升钢平台体系也被广泛应用于超高层建筑施工过程中。整体顶升钢平台体系是为适应超高层核心筒混凝土结构施工需要而开发的一种新型模架体系，与传统的爬模、提模、附着式脚手架体系相比具有明显优势。整体顶升钢平台体系施工为全封闭空间作业，满足超高层建筑施工过程中对施工作业人员的安全要求，使高空作业变为平台作业，减少了超高层施工中料具二次转运带来的安全风险。另外，整体顶升钢平台体系在施工速度、工程质量、结构适应能力、施工成本等方面都较传统施工方法有明显优势。

　　1 工程概况

　　天津周大福金融中心塔楼总高度为530m，核心筒高471.5m。核心筒在平面上有6次较大的变形，经6次墙体收缩由正方形九宫格变成“日”字形。核心筒外墙体厚度从1 500mm收缩至900mm;腹墙厚度不变。

　　根据建筑结构变化特点，采用整体顶升钢平台体系进行核心筒结构施工(见图1)。整体顶升钢平台体系由钢平台系统、挂架及外防护系统、模板系统和支撑与动力系统4部分组成，如图2所示。

　　整体顶升钢平台体系为新型的施工技术，相关行业标准未对其风荷载取值、架体及挂架设计构造等做出相应的规定，相关文献中对其风荷载的分析方法也不尽相同，而钢平台体系在脉动风影响下的研究仍是空白。整体顶升钢平台体系在施工阶段始终处于核心筒上部，受到的风荷载较大，使得风荷载成为结构在高空安全性的控制荷载^[1]。因此，研究整体顶升钢平台体系的抗风能力，对指导类似工程施工及整体顶升钢平台体系的设计具有重大意义。

　　

　　图1 天津周大福整体顶升钢平台体系 

　　 

　　

　　图2 整体顶升钢平台系统组成  

　　 

　　2 整体顶升钢平台动力特性分析

　　2.1 模型建立

　　利用有限元分析软件MIDAS Gen建立整体顶升钢平台体系的三维模型。钢平台体系随核心筒平面形状的变化产生6次空中变形，为真实分析各形态下钢平台体系的结构动力特性，分别针对每次变形建立有限元模型，如图3所示。

　　

　　图3 平台结构模型 

　　 

　　为保证各受力杆件与软件单元库中已有的单元类型对应，将各结构包含的受力构件进行简化，桁架结构杆件、柱构件均按梁单元模拟;计算模型中桁架单元之间连接形式为承担部分弯矩的半刚接型;外侧挂架、内侧挂架及内外侧围护网等均为非受力结构，模型中不予考虑，将其按恒荷载输入。

　　2.2 动力特性分析

　　整体顶升钢平台体系的工作工况划分为正常施工工况与顶升工况。每种工况对应6个计算模型，利用有限元软件进行动力特性分析，计算得到整体顶升钢平台体系在不同阶段、不同工况下各阶的自振周期，如表1,2所示。

　　  

　　表1 整体钢平台正常工作状态下结构前3阶自振周期 

　　 

　　 

　　s

　　

　　表1 整体钢平台正常工作状态下结构前3阶自振周期

　　  

　　表2 整体钢平台顶升状态下结构前3阶自振周期s 

　　 

　　 

　　

　　表2 整体钢平台顶升状态下结构前3阶自振周期s

　　随着结构核心筒施工高度的增加，钢平台将产生6次变形，对其抗风能力的要求进一步提高。钢平台结构前3阶振型处于扭转与平动的耦合振动状态，正常施工工况下结构自振周期为0.63～1.11s，钢平台具备足够的抗风能力;顶升工况下结构自振周期为1.02～1.69s，相比于施工工况结构，结构对风振的敏感度增加，在顶升期间整体钢平台体系由液压油缸支承，此时钢平台侧向稳定性较差，抗风能力较弱。

　　3 平台结构风振分析

　　整体顶升钢平台体系与核心筒共同作用，整体钢平台底部通过牛腿与核心筒连接，牛腿将横向荷载和竖向荷载传递给核心筒。理论上，基于风荷载力学分析，超高层建筑施工使用的整体顶升钢平台体系受风荷载作用非常复杂，随着建筑物高度大幅增加，风振作用也相应增大，风荷载随之增大^[2]。整体顶升钢平台体系风荷载分析时应考虑二者的共同作用，会使平台设计分析过程变得复杂。多位学者^[3,4,5]从理论上分析了考虑核心筒和不考虑核心筒两种情况下平台顶部的风振力，结果显示，考虑核心筒时平台顶部风振力小于不考虑核心筒时平台顶部的风振力。因此，出于偏安全考虑，在平台风振分析时不考虑核心筒作用。

　　格构支撑柱与底部钢梁的刚度较大，因此，钢平台与核心筒无论是铰接还是刚接，均对整体平台动力特性几乎没有影响。因此，整体钢平台的计算模型可以简化为单自由度体系。

　　利用随机振动理论分析可得质点位移方差为^[6,7,8,9]:

　　

　　 

　　式中:w₀为基本风压(k N/m²);μ_f为脉动系数;μ_s为风荷载体型系数;μ_z为风压高度变化系数;ρ_xz为脉动风相关性系数;μ为脉动风保证系数。

　　对于小阻尼单自由度体系，质点的位移方差变得比较简单，将相应参数带入得:

　　

　　 

　　式中:Z为平台高度;H为平台顶部所处高度。

　　脉动风作用下的位移为:

　　

　　 

　　不考虑核心筒时，整体钢平台体系的风振力:

　　

　　 

　　式中:g为峰值因子;M为质量刚度;ω₁为一阶振型圆频率。

　　若只考虑一阶振型影响，则可以利用风振系数来表示总风力，公式如下:

　　

　　 

　　式中:A为迎风面的面积。

　　σ_y在频域内主要由3部分组成，响应较大的为背景响应部分和共振响应部分。因此，风振系数也主要受这两部分影响。这一点与GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中风振系数的计算相对应，所以整体钢平台的风振系数β_z采用与规范一致的形式，公式如下:

　　

　　 

　　式中:R为脉动风荷载的共振分量因子;B_z为脉动风荷载的背景分量因子;I₁₀为10m高度处的湍流度。

　　在参数计算时，风谱采用实测拟合风谱振分量因子推导结果如下:

　　

　　 

　　式中:;μ_*为剪切速度或纵向摩擦速度。

　　由于将钢平台简化为单自由度体系，不考虑脉动风荷载的竖向相关系数，只考虑水平相关系数，故脉动风荷载的背景分量因子B_z为:

　　

　　 

　　式中:k，α₁为系数;H为结构总高度，B类场地H≤350m;ρ_x为脉动风荷载的水平相关系数。

　　脉动风荷载的水平相关系数计算如下:

　　

　　 

　　式中:B为结构迎风面宽度。

　　整体顶升钢平台体系位于核心筒上部，其风荷载计算分为上部桁架风荷载计算及外侧挂架风荷载计算两部分，外侧挂架所受风荷载传递给平台桁架。整体顶升钢平台体系的外挂架采用钢板网围护，可对超高层建筑施工安全防护起有利作用，但也使整个体系受风荷载的影响增大。

　　4 整体顶升钢平台体系风振时程分析

　　整体顶升钢平台的工作工况分为正常施工工况和顶升工况，正常施工工况下钢平台平台荷载主要由上支撑箱梁支撑，顶升工况下主要由下支撑箱梁支撑。支撑箱梁与核心筒之间只是搭接，支撑箱梁单方向布置，没有水平约束能力，相对于抵抗竖向荷载的能力，整体顶升钢平台抵抗侧向荷载的能力较差，尤其是在大风情况下，易造成施工安全隐患。由平台结构的特征值分析可知，平台的6个状态中状态5的抗侧能力最弱，因此，以状态5为例进行平台结构动力时程分析，该状态下水平向变形最大节点为184。

　　进行风荷载实测时，风向具有随机性。因此，时程分析时对应考虑8种工况，如图4所示。

　　

　　图4 风荷载工况  

　　 

　　由于结构平面对称，选择工况7,8作用下的风振时程进行分析，其实测脉动风速时程曲线如图5所示。

　　

　　图5 实测脉动风速时程曲线  

　　 

　　时程分析时，风荷载开始时间为0.0s，时程长200s，时间步长为0.2s。工况7,8作用下平台结构节点184的水平位移时程曲线如图6所示。

　　

　　图6 节点184水平位移时程曲线 

　　 

　　工况7,8静力分析以实测结果为基础，利用上节风振分析方法进行静力等效。平台结构节点184的静力分析结果与时程分析最大结果对比如表3所示。在脉动风荷载作用下，节点184水平位移与静力结果的误差最大为-13.2%，小于静力分析结果。

　　  

　　表3 静力分析结果与时程分析最大结果对比 

　　 

　　 

　　

　　表3 静力分析结果与时程分析最大结果对比

　　由工况8分析结果可以看出，无论静力分析还是时程分析y向位移都大于x向位移，说明平台结构x向刚度大于y向刚度，同时结构发生扭转。

　　5 结语

　　本文采用惯性风荷载分析方法，基于实测脉动风谱提出针对钢平台体系的风振分析方法。通过对天津周大福项目钢平台在实测脉动风荷载作用下的动力响应进行计算和分析，表明动力时程计算得到的位移与静力计算结果较接近，说明本文所提出的风振分析方法是切实可行的。部分结果比静力结果略小，说明风振时程对平台结构的影响不明显，但由平台结构动力特性分析结果可知，平台结构在顶升工况下的抗侧刚度较小，实际工程设计及施工应考虑脉动风的影响。