巨型桁架—核心筒结构施工技术研究与施工过程力学模拟分析

【摘要】：对于目前世界上处于快速发展的复杂工程项目(超高、超大跨度、超大体量),常规结构设计方法的运用存在着较大的局限性。由于结构自身的超级尺寸和复杂多变的结构形式,使复杂结构在建造过程中对各种误差、变形控制的要求更加严格。因此施工过程的力学跟踪分析成为工程分析研究中倍受关注的研究重点。 上海环球金融中心采用了全新的巨型桁架-核心筒组合结构体系,其结构高度达到了创纪录的492m。从施工技术角度来讲,上海环球金融中心的建造过程包含了超高层混凝土施工技术、超高层钢结构施工技术和大跨度钢结构施工技术,这些先进的工程施工技术使环球中心项目成为了凝集当今最新工程科技的标志性建筑。本文以正在建造中的超高层项目上海环球金融中心为例,从超高层结构的施工技术和施工过程力学跟踪分析两方面进行深入细致的研究。 本文研究工作的多项内容直接来源于实际工程。这些问题内容主要是在设计阶段没有考虑或者考虑程度不够深入,最终积累到施工中急待解决的技术难题。本研究与环球中心工程实际建造过程“并行”开展,以虚拟仿真技术为分析手段,在通用有限元程序平台上通过二次开发编写专门针对施工过程模拟分析的仿真程序,对实际施工中所遇到无法仅靠经验就能解决的工程技术难题进行了深入分析,为实际建造过程中工程技术难题的处置方法和施工方案的优选提供了科学可靠的依据。文中重点研究了以下几方面的内容: 在超高层施工技术方面,本文着重研究了超高层施工中的施工垂直运输系统、核心筒及巨型柱的模板系统、超高层泵送混凝土技术和超高层施工的垂直度控制等几项关键性施工技术。在超高层的钢结构施工技术方面,本文则重点研究了现场厚板焊接技术、铸钢节点焊接技术和单元扩大悬臂安装施工技术的原理及技术要点。这些施工技术代表了当今超高层建筑施工的最新技术,经历了实际工程的检验,对研究超高层建筑成套施工技术具有很高的参考价值。 本研究着重开发基于复杂施工因素影响的巨型桁架-核心筒结构数值模拟对比分析技术,在结构分析与施工方法之间的交叉领域进行了深入的探索。研究过程中结合巨型桁架-核心筒组合结构的施工特点,设计规划针对“核心筒超前施工法”的施工过程仿真计算模式和分析流程。根据分析流程综合考虑“施工找平调整作用”、混凝土的徐变和收缩等因素,编制超高层结构施工过程模拟参数化分析程序(APDL),实现对不同施工方案的模拟仿真分析,为最终施工方案的对比优选提供科学依据。 论文重点进行了主塔楼1～91层考虑施工方法对超高层施工过程竖向变形差异影响的全过程数值跟踪分析研究。施工建造过程中在自重荷载和施工荷载作用下楼层的标高位置与设计位置存在变形差,并且由于核心筒与外框巨型柱的建造顺序和荷载比例分配不同,同层的核心筒与外框巨型柱的标高位置也将发生差异。本文在考虑混凝土的收缩徐变和施工找平调整等因素的基础上,对环球中心的施工全过程进行数值跟踪分析,并将模拟分析结果与常规分析计算结果进行了对比,同时就不同施工条件对超高层建筑竖向变形差异的影响问题进行了分析。 运用仿真分析程序,本研究对伸臂桁架终拧固结对巨型桁架-核心筒结构施工过程中竖向变形差异的调节作用进行了深入研究。 本文还研究了大跨度钢结构预起拱分析,以及安装过程中内力监控,变形监控的模拟分析技术。对钢结构的预起拱分析集中在两个方面:在“核心筒超前施工”条件下巨型结构带状桁架预起拱的仿真分析;顶部钢结构(月亮门)的预起拱和悬臂安装过程数值跟踪分析。本文研究的仿真分析结果与随后实际施工的测量结果相比有着很高的精确度,证明了施工仿真分析对解决实际工程难题的准确性和可靠性。 本研究的内容大部分来自于实际施工中所遇到的技术难点问题,研究的分析结果为这些实际难点问题的解决方案提供了科学可靠的依据。其研究为在结构分析和施工方法之间架设一座高效畅通的“桥梁”,为施工学科研究从“经验”向“经验与数据相结合”的转变进行了探索和研究。