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大型悬挑结构施工经验借鉴

发布时间:2019-01-15    阅读量:4169

 悬挑结构是一些建筑设计师的“常用手法”,几笔勾勒出一个结构轻盈且独特的建筑轮廓后,带给工程师们的将是一个挑战,但每次理想与现实的碰撞,都会让这个世界多一处外形惊艳的建筑。

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 2005年,在韩国釜山国际建筑文化节组织的一次设计竞赛中,奥地利建筑公司蓝天组的激进派设计获得了第一名,并于2008年底开工建设,2012年竣工。在短短几年的时间里,该建筑赢得了国际建筑奖和芝加哥建筑设计博物馆颁发的2007年美国建筑奖,并且以其世界“最长悬挑屋顶”打破了吉尼斯世界纪录。该团队成功地实现了在绘图板以外很难见到的规模宏大的建筑作品。


为实现这个巨大的悬挑结构,结构工程师在结构分析时,尽可能减小悬挑尽端的形变,同时尽可能减少支点的材料损耗,运用了各种手段,一步步将悬挑结构尽端的形变尽可能降低到最小。

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除了大跨度公共建筑外,超高层建筑中的悬挑结构同样难度惊人。kohn pedersen fox(KPF)在上海设计了一座混合用途综合体“huamu lot 10”。该设计中最吸引人的是在建筑中设计了悬挑平台,创造了一个视觉上连接的“空中画廊”。

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 画廊在夜晚被灯光照亮,成为城市中的一道靓丽风景。该建筑具有很高的辨识度,从远处可识别出'huamu lot 10'。该方案还包括位于屋顶和露台上的梯台花园,为居住者提供户外聚会空间,并享有壮丽的城市景观。通过在塔楼中点融入悬挑的元素,该项目旨在在上海天际线中创造了一个独特的形象。

 超高层悬挑结构的施工难度很大,由于建筑高度较高,一旦结构承载力分布不均,将无法承受荷载的作用。因此在这类建筑施工时,应特别注意施工方法。例如山东潍坊文化艺术中心观光塔为高细塔,外侧为双曲管桁架飘带,观光塔顶部为悬挑观光层,在核心筒施工时无法穿插施工,因此后续安装悬挑结构施工难度较大。通过潍坊观光塔观光层的安装探讨超高层悬挑结构安装得出超高层悬挑结构的安装方法。 




如此出色的建筑设计方案要想落地,在施工中有几点关键问题要特别关注:优化、对比、交底。

结构受力优化


以釜山电影中心为例,这样复杂的模型必须要借助计算机参数化建模才能实现。参数化建模不仅能帮助建筑师控制建筑的形态,也能帮助结构工程师进行各种结构计算。这样复杂的结构,在我们刚刚学习结构设计,只有计算器进行计算的时代,是不可想象的。在计算机的帮助下,我们能得出多种备选方案进行模拟和对比。经过模拟,相比传统的平行桁架、错综复杂相互咬合的三维空间桁架可以有效减少20%悬臂尽端的形变。

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通过建模优化(左为优化前,右为优化后)减少了20%悬臂尽端的形变参考施工照片,我们可以发现,这一空间桁架耗费了大量的钢结构构件。


施工中常利用有限元软件对结构受力进行优化,便于日后施工的质量。有限元优化的过程大概分为以下步骤。

(一)优化设计思路

 在用ABAQUS软件优化过程中,为设计出符合要求的钢筋混凝土桁架结构,应在对钢筋混凝土桁架结构建立初始方案模型之后进行ABAQUS优化设计。如此处理的主要目的为保证钢筋混凝土桁架结构满足强度和刚度要求的基础上,节省钢筋和混凝土量,降低造价。因此,在优化过程中选择合理的设计变量、状态变量及优化目标,最后查看优化分析结果。 

(二)优化过程及结果分析

根据优化设计思路,首先进行初始方案参数化建模,求解后处理计算结果,从而确定设计变量和优化目标,最后对优化结果进行评估。若达到优化目标,则退出循环,反之则继续优化。

应注意在结构设计主要参数处理时,由于结构通常比较复杂,在不影响结构内力和位移的前提下,需要对部分结构构件进行了简化,选取最大悬挑梁为研究对象,随后对各类需要计算的单元进行选取,如混凝土实体单元、钢筋桁架单元等;随后再根据材料属性选择相应参数,如混凝土等级选择C30,弹性模量选择相对应数值,其他参数均按初始方案建模。


方案对比


施工方案的比选是前期工作中比较重要的内容,这会影响后期施工的质量与效率。类似于釜山电影中心的大跨度悬挑结构建筑,方案比选更是尤为重要。以某悬挑结构为例,该工程地上为12层,地下一层。本工程从标高49.2m至52.4m处四周为2650mm的大跨度挑檐,挑檐由斜梁、斜板及端头边梁组成,斜梁截面为300mm×350mm,每跨度7.8m一道,斜板厚120mm,端头边梁截面为200mm×550mm。

为了完成高空悬挑梁板的施工,该工程考虑了三个施工方案。

方案一:从地下室搭设扣件式钢管支撑架,直至49.200m左右。

方案二:以下一层边梁为支撑点,斜挑搭设扣件式钢管支撑架。

方案三:从下两层楼面架设工字钢,斜挑扣件式钢管支撑架架立在槽钢架上。

方案对比中,分析过程很重要,得出的结论必须有理有据。通常要分析安全性、可操作性、经济性等指标,同时还要根据工程特点选择最为合适的施工方法。如此工程在分析后选择的方案,既避免了搭设量大,工期长,因其细长可能导致支撑体系不稳定的情况,又避免了以下一层的边梁为支撑点向外悬挑梁板边缘架设斜向管而造成的支撑架稳定性差的情况,而18号工字钢从40.750m标高楼面挑出,组成悬挑平台,缩短了悬挑钢管架的水平距离,有利于解决支撑架失稳问题,降低了架设难度。该悬挑支撑平台为简支结构的支撑平台,传力线路明确,且计算简便。


技术交底


一、钢筋施工

1、先将梁主筋放于梁底模之上,由于3至9轴线梁有预埋螺栓,箍筋套好绑扎之前应预埋螺栓,再根据螺栓位置绑扎箍筋。

2、钢筋单面搭接焊长度为10d;梁钢筋锚固长度为40d

3、受力钢筋允许搭接区段:梁上部钢筋为跨中1/3区段,下部钢筋为支座1/3区段;设置在同一构件内的焊接接头宜相互错开;纵向受力钢筋焊接接头连接区段的长度为35倍dd为纵向受力钢筋的较大直径)且不小于500mm,凡接头中点位于该连接区段长度内的接头均属于同一连接区段,同一连接区段内,纵向受力钢筋焊接的接头面积百分率不宜大于50%。

4、当梁上受力钢筋设置两排或三排时必须增加吊钩予以固定。 

5、所有钢筋绑扎必须符合图纸设计要求,钢筋保护层厚度35mm。 


二、模板施工

1、根据控制轴线,放出梁的边线位置,模板支设前,保证所有梁内埋件全部埋设到位。 

2、梁次龙骨采用50mm×100mm方木,间距100mm,主龙骨采用48mm×3.5mm钢管,间距300mm。

3、梁底模板就位后,绑扎框架梁的钢筋; 

4、安装梁侧模板,梁次龙骨采用50mm×100mm方木,间距100mm,竖向主龙骨采用48mm×3.5mm钢管竖向布置,主龙间距300mm,竖向主龙骨底部与梁底主龙骨用扣件进行连接;横向主龙骨设置2道,间距300mm。梁侧主龙骨用Φ12对拉螺栓进行固定间距600mm。  

5、模板主次龙骨安装完毕后,在梁两侧的中间及底部做钢管斜支撑,间距1000mm,支撑在两侧外脚手架上;钢管两端均要安装顶托。  

6、 加固完成后,在梁底部用木头削起拱,起拱高度为跨度的3‰,最后以控制线调整模板位置,用线坠调整模板垂直度。 


三、混凝土施工

1、混凝土浇筑时应考虑中心柱高度,在浇筑过程中,框架柱的浇筑次数应按照施工方案完成,框架梁通常根据需要必须两次浇筑来完成。

2、混凝土振捣时应遵循“快插慢拔”的原则,每次振捣时间为10s(振捣持续时间一般为砼表面无浮浆,不下沉为止,当表面出现浮浆时必须将浮浆排除,切满足钢筋保护层厚度。

3、在浇筑过程中,必须有钢筋工与木工现场跟班,及时加固模板和调整钢筋位置。

(图片来自网络,版权属于作者)



文章来源:建筑技术杂志社

责编:皮诺


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