寿建军,方顺生,田云雨,王锦全
(1.杭州圣建钢结构工程管理有限公司，浙江 杭州 311200; 2.浙江大地钢构有限公司，浙江 杭州 311200)
悬挂式高层建筑是高层建筑和悬挂结构的有机统一，使得在有限土地上实现更多使用面积的高层建筑，同时兼具大悬挑、大空间、高通透的悬挂结构特点，其形成的一种独特建筑造型被越来越多的建筑师所喜爱。这种建筑一般采用核心筒或钢管柱作为主要承重和抗侧力构件，并通过屋顶整层钢桁架、桁架端部的高强度型钢吊柱悬挂钢梁、楼板这种结构体系。
悬挂式高层结构有“顺作法”和“逆作法”两种施工路径，“顺作法”采用的是通过设置临时支撑自下而上的施工方法，楼层结构和核心筒可以同步进行，全部完成后卸载拆除支撑。“逆作法”是核心筒首先施工完成，再施工顶部悬挑桁架，然后从上到下安装楼层结构[1]。“顺作法”更多地使用在结构高度不高，吊挂楼层有限的建筑中，当楼层超过一定的高度以后，下部临时支撑及下部基础就会遇到很多困难，另外，当上部楼层过多，临时支撑的卸载也非常困难。
当建筑超过一定高度的悬挂结构，“逆作法”会是首选的施工方法，但是这种方法要求核心筒和桁架首先完成，然后进行下挂结构施工，周期比较长，在施工期间起保温隔热作用的幕墙还没有安装完毕，夏季施工日照会引起核心筒由于向阳面和背阳面的温度差而发生变形，这个变形通过屋顶桁架大悬挑结构的放大效应，引起所有下挂点的更大变形，逐步施工的型钢吊柱安装会因此产生偏差，而这个偏差对承受巨大拉力的型钢吊柱来说是致命的缺陷。本文结合上海金桥国培地块研发项目悬挂结构的施工方案，通过建立计算模型，结合上海地区夏季的日照温差，对施工过程中日照影响进行模拟分析，为日照效应下型钢吊柱的安装精度控制提供理论依据和解决方案。
上海金桥国培地块研发项目，由新建A，B，C，D四幢塔楼组成(见图1)，四幢塔楼由北向南一字排列，5层以上全部采用悬挂结构，在4层裙房处由三个钢连廊连接为一个整体，形成一个可以布置江南园林式合院研发空间景观大平台。A塔楼地上20层，建筑高度100 m。B，C，D三幢塔楼均为地上12层，建筑高度60 m，整个建筑群总用钢量达28 000 t。
2.1 A塔楼结构特点
本文研究的对象A塔楼，标准层平面尺寸约40 m×38 m；
核心筒平面尺寸约为16.5 m×19.35 m。塔楼4层为无柱层，4层以下为裙房结构，外框钢梁内侧直接与核心筒相连接，外侧悬挂钢柱受力依次传递到塔楼顶部悬挑桁架上，最终仍由顶部桁架传递到核心筒结构。钢结构形成“倒(悬)挂式”受力体系(见图2)。
2.2 A塔楼的施工路径规划
A塔楼的所有楼层梁除了与外侧连接的吊柱外，内部没有任何其他立柱(见图3)，屋顶桁架完成后，下部结构施工没有施工平台会非常危险，如果采用楼层整体提升的办法，则需要增加内侧立柱形成稳定结构，而且提升到位后内侧楼层梁与核心筒的安装间隙也无法处理，另外，施工成本及周期上都无法满足要求。仔细研究本工程结构，下部吊挂楼层外圈楼层梁和型钢吊柱刚性连接，形成一个刚性外筒，这个外筒经过一定的加固措施可以单独提升，然后按照内部楼层梁。外筒框架提升采用累积提升法，每安装一节柱两层梁提升一节柱的高度，然后锁定提升器，再安装下部的一节柱和梁，依次分八步提升完成，图4为总共八步中的四步示意图。
2.3 A塔楼型钢吊柱的特点
塔楼标准层型钢拉杆28根，截面从下至上依次变大，截面形式为宽翼缘的H型钢，材质为Q390GJ(部分Q550GJ)。
本工程型钢吊柱的对接节点只在H型钢的翼缘处设置高强螺栓连接，上下吊柱的腹板是脱开的(见图5)，这样的设计充分保证吊柱只承受拉力的特性。因为承受巨大的拉力，所有节点的螺栓必须保证100%的穿孔率，同时还需保证吊柱的垂直度。因此，累积提升过程中，上一次提升完成后，与下部吊柱连接点的位置精度显得非常关键，因为这个偏差以后无法消除，而且会产生累积误差，对整个结构完成后的受力有很大的影响。这个精度的影响因素众多，而日照效应带来的变形恰恰是施工中无法避免的。
由于受到太阳辐射以及外界温度变化的影响，使得核心筒结构表面和内部各处温度都处于不断变化之中，温度效应分两种：一为核心筒中面季节温差；
二为日照温差。季节温差为均匀温差，日照温差为瞬时温差，对施工过程来说瞬时温差引起的结构变形对安装精度的影响更大。
3.1 有限元计算模型
本文结构设计软件对超高层建筑在施工过程的温度效应进行分析，桁架上下弦、桁架支撑、柱内钢骨、框架梁及柱用梁单元模拟，桁架水平支撑、提升框架临时支撑用杆单元模拟，提升索用只拉杆单元模拟，用墙单元模拟剪力墙，见图6。
3.2 日照温差
高层建筑结构日照温差效应分析的温度场主要是由气象条件决定的，而气象条件具有很强的地域性和季节性，对高层建筑结构日照温差效应，目前国内在研究和实践中都积累了不少经验，但尚未形成统一的做法。本文根据上海地区及实际施工情况作相应参数取值计算受太阳辐射的正晒面结构外表面温度t1[2]。
其中，tz为室外折算综合温度;ξ为结构外表面对太阳辐射热的吸收系数;Jmax为太阳辐射强度峰值;Jp为太阳辐射强度昼夜平均值;δ为构件厚度;aw为结构外表面热转移系数，与夏季室外风速有关;θt,w为出现太阳辐射等效温度峰值时刻的室外气温波动值；
tw，max为室外气温最大值;tw,p为室外气温昼夜平均值，与地区所处位置有关;k为修正系数。上海地区，在夏季施工各系数取值如表1所示[3]。
表1 各系数取值
由此可得结构正晒面温度:t1= 61.48 ℃。夏季日照温差引起向阳面构件温度升高 61.48 ℃-40 ℃= 21.48 ℃。内外构件的温差平均为(21.48+0)/2=10.7 ℃，考虑到本工程的核心筒混凝土厚度达到900 mm～1 000 mm，外表面的温度相比钢结构传导热量效率要低，因此核心筒正阳面和背阳面的温度差按10 ℃计取，外框梁、柱以及提升索按20 ℃计取[4]。
3.3 日照效应分析
当核心筒混凝土养护完毕，屋顶桁架通过部分原位散装，悬挑部分整体提升完成后，考虑太阳照射角及相互遮挡情况，裙楼以下部分核心筒日照影响不大，4层 以上核心筒及屋顶桁架全部暴露在太阳照射下，随着外框的提升，已提升梁与拉杆对核心筒会有一定的遮挡，但是这个遮挡影响小到可以忽略，屋顶桁架受到的是均匀的日照，所以不考虑日照温差影响。由于项目的特殊性，分阳光正面照射和45 ℃角照射两种工况进行分析，如图7所示[5]。
3.3.1 正面日照影响
正面阳光照射下引起核心筒从正阳面向背阳面方向弯曲，屋顶桁架跟着发生倾斜，固定在桁架下弦的外框提升索会跟随发生偏移，这个偏移叠加提升索及外框的日照效应，会使得已提升框架柱的发生位置及垂直度的偏差。考察每次提升完成后，最下部28个吊柱与下层吊柱连接处的位移，可以反映已提升部分吊柱的偏差量。图8为每个提升过程中28个关键点的布置。
图9为正面日照下关键点8个施工步的三向位移曲线综合，阳光沿Y轴正面照射，所有28个关键点沿X向位移在±5 mm之间变化，而且整个提升过程中同一个关键点X向位移基本没有变化。Y向位移图从3.5 mm到-6.3 mm变化，这是由于核心筒从正阳面向背阳面方向弯曲，屋顶桁架跟着发生倾斜，下挂框架往负Y向偏移。Z向位移主要是由于向阳面的索和结构在日照效应下膨胀变形和核心筒及屋顶桁架变形引起的叠加，基本在-20 mm左右，只有背阳面中17号～20号共4个关键点位移在-8 mm左右，这个位移主要是核心筒和屋顶桁架在日照变形带来的。
3.3.2 45 ℃角日照影响
图10为45 ℃角日照下关键点8个施工步的三向位移曲线综合，这种工况下X，Y向的位移较正面照射工况下大，而且结构发生了扭曲。X向位移变化范围为-16 mm～8 mm，从图10中可以发现，28个关键点不但有相互之间的位移变化，整体向-X方向倾斜。Y向位移变化范围为-7 mm～18 mm，整体向Y方向倾斜。不同于正面日照的影响，45 ℃角日照下随着框架的逐步提升，28个关键点之间的两个方向的变化增大，这个变化是由于框架自身受到日照后相互之间作用引起的。Z方向的变形也是几个变形的叠加，没有受到阳光照射的18号～26号节点位移在-5 mm～3 mm之间变化，其他基本在-20 mm左右，这个变形最主要是提升索和框架受热膨胀所致。
3.4 控制变形的措施及分析
由以上分析可知，对提升框架关键点X，Y方向的影响，正面日照下较小，对施工过程影响较小，但在45 ℃角日照的影响下无法精确安装吊柱，因此必须采取措施保证施工的顺利进行。
3.4.1 变形控制措施
分析日照的影响，最有效的变形控制是，拉杆和楼层梁在安装过程中采用刚性支撑使得提升单元与裙楼顶面或者核心筒固定，提升时脱开。整个提升过程一共分8个 提升步，每完成一节吊柱和两层梁提升一次，中间的时间间隔比较短，因此撑杆的拆卸便捷性也非常重要。图11为临时支撑的布置图，支撑布置在最下层，利用了现有的楼层梁两侧和吊柱与核心筒的铰接节点，安装时支撑铰接于两端，需要提升时只要把与框架梁连接的一头提起，就可以完成本次累积提升，然后重复拼装-提升这个过程。
3.4.2 控制后日照分析
图12,图13分别是采取措施后，各个提升步中关键点的位移变化曲线。正面日照下，进一步减小了关键点的X,Y方向位移变化，所有点位控制在±4.3 mm。45 ℃角日照下，X向位移变化在-6 mm～8 mm，Y向位移变化在-10 mm～8 mm，这两个位移较采取措施前有大幅的降低，进一步分析，可以发现提升前5步两个方向位移基本在±5 mm，完全可以全天候施工，后3步需要避开在45 ℃角日照条件下施工。Z方向的位移不受该方法的影响，施工过程中需要通过控制提升索的高度就可解决。
一般在超过200 m以上的超高层工程的施工过程才会考虑日照温差的影响，但本工程的悬挂结构的特点，没有采用楼层按顺序自下而上逐层施工的传统路线，而是把吊柱和框架梁组成的外框先行施工完成，然后从下往上施工楼层梁。外框采用逆作累积提升，作为提升支撑的核心筒和屋顶桁架在整个提升过程中暴露在阳光之下，日照效应使得已经提升部分的框架和吊柱位置发生偏移，因而无法保证后续安装吊柱的垂直度和节点螺栓100%的穿孔率要求，而吊柱承担所有楼层的荷载，其施工质量直接关系到整个建筑的结构安全，所以日照引起的安装偏差必须精确分析并采取措施以保证安装质量。
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