超高层结构伸臂桁架安装时序分析与控制方法

徐铁山， 刘华丽

(咸宁市勘察建筑设计院，湖北 咸宁 437100)

摘 要：以某超高层建筑为例，对Z型和V型两种典型的伸臂桁架进行多种安装方案分析，研究单个伸臂桁架的附加内力发展规律及不同安装时序的不同影响，然后对伸臂桁架安装过程进行模拟分析和研究，验证安装时序确定方法的可靠性。相关控制分析方法可用于同类超高层结构伸臂桁架合理连接时序的确定和改进，从而指导施工过程。

关键词：超高层结构； 伸臂桁架； 安装时序； 控制方法

1 伸臂桁架的发展概况

近年来，大多数高层建筑结构的设计方案通常会采用钢结构来实现增强高层建筑刚度，形成高层建筑有效抗风体系的目标，并且使用钢结构还可以在一定程度上增加高层结构的抗震性能。在进行高层建筑结构施工时，一般会在超高层楼层中设置多道加强层，而伸臂桁架就是加强层设计中最常见的形式之一。伸臂桁架设计主要是在高层建筑外的结构框架以及核心筒中间安装伸臂桁架，确保框架和核心筒之间的协调工作。使高层结构在水平荷载作用下，一侧外框柱产生拉力，另一侧外框柱产生相应的压力，然后形成能够与外水平荷载效果相反的抗倾覆力矩(如图1所示)。伸臂桁架的主要作用就是限制外框柱和核心筒的转动与弯曲，增大结构的侧向刚度，在一定程度上保证高层结构的整体性，从而达到实现提高超高层结构的侧向刚度，进而保证结构的稳定性。

图1 伸臂桁架工作原理

由图1可以看出伸臂桁架对高层结构的刚度和稳定性影响较大，所以在进行超高层建筑施工时，伸臂桁架安装越早就越有利于高层结构的刚度与整体稳定性。但并不是随意进行安装伸臂桁架，因为外框架和核心筒的竖向变形差异会引起伸臂桁架附加内力。伸臂桁架连接的越早，附加内力也就会越明显。因此，在对高层建筑结构安装伸臂桁架时，必须考虑伸臂桁架与引起的附加内力两者之间的关系，要在有效控制附加内力的基础上尽早安装伸臂桁架。因此，相关工作人员必须对高层建筑结构进行研究分析，确定合理的伸臂桁架安装时序，使伸臂桁架的效用最大化。

2 超高层结构伸臂桁架的安装时序

本文以某超高层建筑为研究对象，对Z形和V形两种典型的伸臂桁架的安装时序及其附加内力情况通过多种安装方案进行研究、分析，探讨伸臂桁架不同安装时序下的附加内力发展规律，根据研究结果给出最合理的安装时序确定方法。并且确定安装时序方法后，以算例验证方法对伸臂桁架安装及施工过程的附加内力进行全程监测、施工模拟等，对比验证各种理论方案的可靠性。

2.1 工程概况

该高层建筑高度为441.8 m，属于超高层建筑结构，主要利用框架核心筒混合体系进行结构设计。外框架主要以钢管混凝土柱、型钢梁、巨型斜撑及伸臂桁架等构成，该部分的构件受力包括拉、压、弯、扭，受力形式基本上与梁单元相同。因为施工模拟与计算效率需要，一般选用beam4单元进行模拟。核心筒部分主要由剪力墙和楼板构成，均为钢筋混凝土结构。考虑高层结构的受力特点、计算效率与施工模拟的需要，一般选用shell181单元进行模拟。利用刚接的方式完成模型外框架节点焊接工作，通过节点耦合保证核心筒剪力墙、楼板与钢框架之间协同工作。

在框架核心筒混合体系的基础上，设计两种常见的伸臂桁架形式：V形和Z形伸臂桁架，对两种伸臂桁架的安装时序方案进行优化分析。该高层结构设置3道伸臂桁架，每跨越两个楼层设置一道伸臂桁架。具体的设置方案如图2所示。在高层结构中主要采用Q420号钢材，板件厚度100 mm，设计强度325 MPa。

图2 伸臂桁架类型以及分析位置示意

2.2 伸臂桁架之间的相互影响

通过各伸臂桁架对其他伸臂桁架附加应力影响最大值的研究分析，可以得出如表1和表2所示分析结果。从表中可以明显看出，(1)第2道桁架和第3道对第1道伸臂桁架的联合影响最大值是14.6 MPa，小于材料强度的5%；(2)这种影响在第2道伸臂桁架施工过程进行到第55层时，安装直接连接的伸臂桁架时才会出现；(3)这种安装时序给第2道伸臂桁架自身带来较大附加应力，实际上时序优化后其连接时刻相对较晚，同时相互间的有利作用都小于14.6 MPa，即伸臂桁架之间的有利影响都远小于材料强度的5%，因此进行伸臂桁架安装时序优化时可以忽略伸臂桁架之间的影响作用。

表1 V形伸臂桁架互相影响结果

安装桁架第1道桁架第2道桁架第3道桁架受影响桁架第2道第3道第1道第3道第1道第2道最大应力降低值/MPa8.12.311.64.13.04.5

表2 Z形伸臂桁架互相影响结果

安装桁架第1道桁架第2道桁架第3道桁架受影响桁架第2道第3道第1道第2道第3道第1道最大应力降低值/MPa6.21.47.62.71.72.3

2.3 伸臂桁架安装时序

通过对伸臂桁架之间的相互影响规律分析可以发现，从高层结构整体性、施工方便性角度确定伸臂桁架安装时序，通常是伸臂桁架越早连接越合理。因此，确定伸臂桁架的安装时序时，适当考虑变形差异引起的附加应力的条件下，对未超出变形差异范围的附加应力要预留一定的富余空间，这样可以有效保证满足应力要求，同时尽早连接伸臂桁架。另外，还可以根据附加应力水平，设计伸臂桁架合理的安装时序确定方法。因为伸臂桁架之间的相互影响较小，在选取安装时序时，可以忽略伸臂桁架之间的有利作用影响，直接以单个伸臂的附加应力发展规律为依据，确定合理的伸臂桁架安装时序。

附加应力在30 MPa以内的V形伸臂最早连接时序为施工到64层连接，同样可以确定Z形伸臂桁架的连接时刻。最终确定两种伸臂桁架在30 MPa应力控制时的合理安装时序见表3。

表3 伸臂桁架合理连接时序表

伸臂桁架第1道伸臂第2道伸臂第3道伸臂V连接方案(30MPa)64层连接67层连接73层连接Z连接方案(30MPa)60层连接66层连接73层连接

3 结语

对高层建筑的结构进行分析研究，根据准确的结构资料确定伸臂桁架合理科学的连接时序，不仅能够保证伸臂桁架在高层结构中作用的最大化，并且可以保证附加内力对伸臂桁架的影响降至最低，提高高层结构的整体稳定性和施工的效率与质量。因此，在进行高层建筑结构的伸臂桁架设计时，必须对高层建筑项目进行实际考察，利用先进的技术模拟伸臂桁架之间的相互作用影响，才能保证伸臂桁架连接时序的准确性。另外，为了保证对高层结构伸臂桁架模拟分析的准确性，最好对伸臂桁架安装的施工过程进行全程监督指导，方便对连接过程中的问题及时解决，保证伸臂桁架连接时序的准确性，进而保证高层结构的整体性与稳定性。

参考文献：

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作者简介：徐铁山(1978-)，男，湖北赤壁人，硕士研究生，工程师，研究方向：高层建筑及钢结构。

中图分类号：TU974

文献标识码：A

文章编号：2096-2339(2017)04-0153-02