超高大悬臂结构型钢混凝土空腹桁架体系应用研究 吴 昊 （上海建＿［七建集团有限公司上海２０００５０） 摘 要：工程采用了超高大悬臂结构的型钢混凝土空腹桁架体 系，利用空腹桁架实现了结构转换层的设置。同时叉通过超高 大悬臂结构实现了底部大开间的建筑需求。工程的成功实践证 明了该设计理念的科学可行性，同时工程实施中通过对关键技 术的研究形成了一套合理有效的￣ｋ＿Ｔ－技术管理方法。 关键词：超高大悬臂结构的型钢混凝土空腹桁架；砂箱卸载；施 工监测 中图分类号：ＴＵ３７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—７３５９（２０１７）０５—００３５—０４ ＤＯＩ：１ ０．１ ６３３０／ｊ．ｃｎｋｉ．１ ００７－７３５９．２０１ ７．０５．０１ １ 本文的背景工程罗汉松科技研发楼建设项目， Ｂ４０２号房为框架一核心筒钢筋混凝土结构（局部采 用型钢混凝土）的办公建筑，地下１层，地上Ｉｌ层，建 筑高度４７．７５ｍ。其中建筑首层东南角为大空间入口， 四层楼面结构抽空，并在四层设置空腹桁架型钢 混凝土转换结构，从４层楼面起挑至ｌ１层悬挑高度 一～近３２ｍ，悬挑跨度达１６．８ｍ。故本工程为超高大悬臂 结构的型钢混凝土空腹桁架体系。 图１ 罗汉松科技研发楼建设项目效果 截面８００ ｘ ８００～ｌ １００ Ｘ ｌ １００。外框布置４～７根劲性 柱，（十字形、Ｈ型钢），延伸范围从地下室底板面至结 构屋面。其东南角（１２～１３轴／Ｅ～（ 轴）区域地上 一１空腹桁架结构 采用桁架来处理大开问柱网是一种受力合理又 经济性良好的方式，但是建筑设计出于立面造型和采 光等方面的考虑不希望有斜腹杆影响建筑空间，空腹 ～四层楼面结构抽空，在四层楼面型钢混凝土梁上 起柱形成主体结构的角部悬挑（见图２）。即采用了四 层以上各层框架梁和框架柱构成的空腹桁架来承担 上部楼层重量以及各种荷载和作用的影响。 桁架结构的设计形式随之而生。空腹桁架系由上弦 杆、下弦杆及直腹杆组成，相比一般的桁架，其受力特 点为以弯曲变形为主，除了承受弯矩和剪力外，同时 承受轴力。在荷载作用下，空腹桁架受力均匀、传力明 确、结构合理，而且其抗侧刚度大，提供了较强的耗能 Ｅ＝ｊ 丰ｌ 五丰皿二＝Ｊ［二匹— Ｉ 能力、抗震性能好。 ２背景工程 罗汉松科技研发楼建设项目地上建设２栋科技 研发建筑（按办公用房设计）Ｂ４０１号房、Ｂ４０２号房，地 层，建筑高度５９．７５ｍ；Ｂ４０２地上１ｌ层，建筑高度 季 骂 下共一层主要作为车库及餐厅使用。Ｂ４０１地上１４ ４７．７５ｍ。首层层高约７ｍ（包括夹层５．２ｍ），标准层层 高４ｍ。工程效果图见图１。 Ｂ４０２号房采用框架一核心筒结构，平面尺寸为 ３３．６ｍ Ｘ ３３．６ｍ的矩形，基本柱网８．４ｍ ｘ ８．４ｍ，外圈柱 作者简介：吴￣．（１９９２一），男，上海奉贤人，毕业于同济大学土木工程学 院建筑工程系，本科，学士，助理工程师。专业方向建筑工程。 图２ Ｂ４０２三层结构空腹桁架平面布置图 ３工程特点及难点 ３５ Ｂ４０２号房构悬挑高度近３２ｍ，悬挑跨度达 １ ６．８ｍ，采用了型钢混凝土空腹桁架体系的超高大悬 臂结构的设计形式，兼具了空腹桁架和超高大悬挑结 构两方面特点 结构上部杆件较底部杆件截面更为粗 大（四层框架梁截面１０００ｍｍ×４００ｒａｍ，十一层框架梁 截面９００ｍｍ×８００ｍｍ），即采用了上挑下挂式的设计 旱兽 莲 恒载作用下挠度（ｍｍ）比较见表１。 １号点：施Ｔ完成时竖向位移５９．８ｒａｍ，施丁完成 ３Ｏ年后竖向位移１２５．８ｒａｍ，规范／／３００＝２× ８４００／３００＝５６ｒａｍ。由于长期位移超过规范限值，初步 计划可采用施＿Ｔ起拱７０ｒａｍ来解决，则长期位移 １２５．８—７０＝５５．８ｍｍ＜５６ｍｍ。（经各方面综合考虑，现场 实际起拱６０ｒａｍ） ２号点：采用与１号点相同分析方法，初步计划 形式．因此本１二程较之一般的空腹桁架结构和悬挑结 构，在设计理念方面作 了一定程度的创新和进步， 但随之也带来的施１二难度与工程风险度的大大提升。 根据本１二程的结构特点，在施工阶段抽柱悬挑部 位需借助临时增设的支撑来承担支撑顶部楼面至结 构封顶过程中的上部结构自重及施Ｔ荷载。当结构封 顶、整体体系形成，整个结构的刚度具备了足够的抵 消变形的能力，此时方可进行结构的卸载及拆撑工 作。 可采用施工起拱３６．３ｍ来解决，则长期位移 ６９．７—３６．３＝３３．４ｍｍ＜５６ｍｍ。（最终现场实际起拱 ４５ｒａｍ） ４．１－３恒载作用下空腹桁架二内力分析（见图４～图 ６） ４．２超高大悬臂结构空腹桁架体系的临时支撑施工及 卸载技术 ４关键施工技术 ４．１基于最小残余变形和内力的工况设计研究 ４．１．１施丁模拟分析 本Ｔ程针对临时支撑拆除进行了Ｔ况模拟，并相 应进行了支撑拆除后抽柱位置的竖向位移计算及空 腹桁架的内力分析（见陶３）。 Ｅ 三ｊ 十一一—一 旷 … ——～１一上一．ｆ 一～广一］ Ｌ 一… 一——一Ｉ Ｌ １ Ｉ．－＋需 Ｅ 丑珥 ＋ ＋…＋ …一一 ———１ 噩１ １ ｔ 图４恒载作用下空腹桁架二弯矩图 Ｉ Ｎ 坪 Ｉ‘ｔ・ ｍ 一 ，２一一—■■匾＝ ●７ Ｏ １ｌ＝Ｈ●■ ｑ ０ ｍ 一 一～■飘Ｉ ●●日６．２［＝口二 ０｛■】ｌ■Ｉ 图３施工模拟流程图 ４．１．２恒载作用下Ｂ４０２抽柱点竖向位移 采用ＭＩＤＡＳ ＧＥＮ软件的施＿［模拟方法，得到空 腹桁架部位的内力及位移。考虑收缩徐变影响的施工 模拟计算，抽柱部位（１、２两处竖腹杆位置）４～ｌｌ层 横在作用下挠度比较一览表 、 “算 薰囊 表１ ｍ．ａｄＬａｓ窟ｅｎ ｔａｌａｄ．ａｓｇ，ｅｎ ＼ ｌｌ ３－孽● 埔¨慷０ 一的蜷 Ｔ考＇ ｌ基－Ｉ ．碡■慷０Ｔ竞‘ 成蝻３菇 ｏ ．赡了蚺毫时 肆 ■ 幡层＼ ｌｌ ｌｏ ９ ８ ７ ２ ２５ ４ ２７．３ ２９．４ ３ｌ ３ ３２．７ ｌ ４５ ２ ４７．７ ５ｏ．３ ５２．６ ５４．６ ２ ６０．５ ６ｌ ７ ６３．３ ６４．８ ６５．９ １ ｌｌ２．２ Ｉｌ４．４ ｌｌ６ ７ ｔ＊：●００■ｔ．＿Ｉ■ ｌｌ８．８ ｌ２ｏ．６ 目●ｌ ０７１ｌｏ￣１，４ ６ ５ ３４ ｌ ３５ ５ ５Ｓ．５ ５８．２ ６７．２ ６８．４ ｌ２４．２ …“ｆ ●＿ 图５恒载作用下空腹桁架二剪力图 ３６ ４ ３６ ３ ５９．８ ６９．７ ｌ２５ ８ ｌ ｝ Ｉ １ ｝『 图９起升架固定后．操作人员排砂卸载图１ｏ钢管支撵拆除 系施工的监测单位，针对空腹桁架的重点部位、关键 截面进行应力应变监测，以及对空腹桁架悬挑角部进 行挠曲变形和竖向振动监测。 ４．３．１监测内容及监测点布置 ①应力应变监测点 Ｂ４０２选取的监测截面及测点如以下各图所示， 共包含４４个钢骨应变测点、８个混凝土应变测点、１６ 图６恒载作用下空腹桁架二轴力图 个钢筋应变测点， 空腹桁架悬挑梁下临时支撑的施＿Ｉ二及卸载，是本 工程具体施Ｔ过程中的关键点。本Ｔ程Ｉ 时支撑采用 组合支撑体系： ６０９钢管柱＋自制砂箱（作为空腹 桁架悬挑梁下抽柱点主要受力支撑及后续卸载＿Ｔ具） ＋满堂钢管排架（作为抽柱点周边梁板下支撑）。 ４．２．１临时支撑安装 总体施ｌＴ流程：四层楼面非悬挑部位模板排架先 Ｉ ４ Ｉ【 善￡０ Ｉｌ ｜¨． ： ； ＿一 ｜：０ Ｉ ：： ： ： 行搭设一悬挑部位排架（兼钢管拼装＿Ｔ人操作架）搭 设一第一节 ６０９钢管吊装固定于基础（地下室顶 『 Ｉ 板）一其余各节 ６０９钢管分节吊装、法兰螺栓连 接一钢管顶部砂箱及钢支墩安装一梁底模板铺没一 钢结构吊装一钢筋绑扎一混凝土浇筑。砂箱安装见图 ７、图８。 ｆ ｆ ｊ —ｌ 一 辱 图７砂箱实物照片 图８砂箱安装完成 叫 图１１ １ ４．２．２砂箱卸载 本工程临时支撑卸载时计划采用五级卸载。每次 卸载后需静止一定时间对结构进行监测，当监测结果 无异常且结构变形基本稳定后方可进行下一级卸载。 塑 爵 静菌 １ｏ－１测点布置嘲 １１－１测点布置ｌ睾Ｉ 实际操作时观察结构监测数据的变化情况可适当进 行调整，卸载完成后拆除临时支撑（见图９、图１０）。 ４．３空腹桁架体系施工监测技术 Ｔ程委托上海建筑科学研究院作为空腹桁架体 图１２ １—２Ｂ４０２Ｅ轴测点 ３７ ②挠曲变形监测点 预警、报警值一览表 表２ 在Ｂ４０２四层空腹桁架悬臂角部梁底布置棱镜 （见网Ｉ３），用于观测施＿Ｔ过程中空腹桁架的挠曲变 形。 ｌ ｆ 产ｌ ／＼ －Ｉ ｌ －－＿ Ｉ Ｉ９ …．．．Ｉ■ Ｌ一一 卜广 ：簖 －ＪＩ ｌ ‘ｌ－．．Ｌ…． ～Ｉｌ ｝产ｌ ｉ Ｉ ｉ ４＿３－３监测数据分析 ①应力应变监测结果（表３） 应力应变监测结果（截取部分数据）一览表 表３ ｌＩｈ ｉ；；甘 ：黼 Ｉ ｌ １－１．８７０ 。碲 潜 ＊ Ｉ Ｉ ． Ｖ 。』ｒ一 ｒ ：． ｝． Ｉ；一—．—．———．．．图１３ Ｂ４０２挠度测点平面布置图 ③竖向振动测试测点 该部分测试内容为空腹桁架悬挑部位的脉动，用 于分析该部位的振动频率（见图１４）。 ｌ ｌ ／ ＼ Ｉ ｌ ＝， － ＿１ ● ｊｉ …一一Ｉ ＿ 。 ｌ …ｌ…’ ＝】 一…Ｌ… ．…■■ Ｉ Ｉ ｊ Ｉ １８．８７０ １４．８７Ｏ ｖ ｌ ３８．８７Ｏ Ｉｌ Ｉ 生ｊ ｊ ｊ 卸载前后结构沉降量计算表 表４ 一…－ｊＪ ． 注。●表示竖向传感 ●赛 鬃撕由传 宗 樯 图１４ Ｂ４０２振动测试测点布置 ４．３．２监测预警、报警值 ３８ 见表２。 能达到稳定，什么时候开始测试或调试是困扰专业Ｔ 程师的难题，在具体操作中，一般都视房间规模、性质 和用途凭经验判定。而一旦过早进入调试现场，房间 内的各项参数还未达到稳定，因此会造成测试数据偏 翠曹鳝 ２仿真结论 本次仿真以综合性药厂的洁净实验室为研究对 象，通过对大楼内具有代表性的区域进行ＣＦＤ模拟， 旨在进一步确认各房间内风口数量和位置布置的合 理性，通过仿真模拟得出了以下结论： 离设计值；如过晚进入调试现场，增加了系统不必要 的运行时间，导致了能耗的浪费。如图７所示为各房 间１．５ｍ高度平面内各运行时间点气流流动情况，通 过对各区域进行非稳态条件下的仿真，以确定在设计 １二况下达到稳定状态的时间，进一步为后期调试提供 参考依据。 从图７中可以看出，在空调开始运行５ｍｉｎ后，仿 ①按照设计工况进行流速、压力的预测，结果显 示各个房间的相应参数基本满足设计要求； ②风口的位置和送回风形式是影响气流组织的 关键，仿真中发现了局部小型涡流区，在后续实验室 规划时，建议使用方在进行重要实验区布局时注意避 开该区域； 真各个区域内出现了６个不同规模的涡流区。３ｍｉｎ 后，由于２６１饲养间相对面积较大，且房间长宽相似， 导致位置送风口的ｍ流扩散更合理。在第８ｍｉｎ 时，２６１房间内基本无涡流区存在。在第１５ｍｉｎ时， ２６７房间内外侧墙角的涡流区消失；同时，２６２房间内 涡流区的大小变小；直至第３０ｍｉｎ左右，２６２房间的 涡流区消失，整个仿真区域涡流区位置和大小接近先 ③非稳态仿真结果显示在空调运行３０ｍｉｎ左右， 各房间气流组织进入稳定状态，故仿真建议测试Ｔ作 可在３０ｍｉｎ后进行。 参考文献 …汤毅，陈晓文．计算流体力学对暖通机电安装的指导【Ｊｌ＿制 冷空凋工程技术，２０１６，３：５６—５８． 前仿真的稳态工况（图６所示的Ｔ况）。因此本次仿真 认为在空调运行３０ｍｉｎ后，房间内的气流组织接近稳 定，测试人员可以进入房间进行操作。 业业 业业 妇妇・出船业啦妇始 业啦 业 【２］汤毅，陈晓文，卢佳华等．超大空间场馆内空调气流组织ＣＦＤ模拟 研究『Ｊ］．制冷空调工程技术，２０１５，２：１４一ｌ７． 【３】陈晓文，汤毅，卢佳华等．基于ＣＦＤ对超大型场馆气流组织仿真的 优化设置和分析Ⅲ．安装，２０１５，４：３５—３７． 业盛幸妇 业 啦业业业逝妇业 妇 业 妇 （上接第３８页） ②挠曲变形监测结果（表４）： ③振动监测结果（表５） 振动监测结果 表５ ５结语 本工程的成功实践证明了该“上挑下挂式”超高 大悬臂结构的空腹桁架体系设计理念是科学可行的， 既保证了空腹桁架转换层的作用，又成功实现了超高 大悬臂的结构形式。本Ｔ程施工监测期间所收集的信 息为今后的类似工程设计提供了大量真实有利的数 据支撑，有助于其设计理论的优化与完善。 结合此次罗汉松科技研发楼建设项目的建造，通 过对超高大悬臂结构的空腹桁架体系在高层建筑中 应用的关键建造技术研究，从施Ｔ、卸载、监测等方面 形成了一套合理有效的施Ｔ技术管理方法，对今后类 似工程的施工具有一定参考借鉴价值。 根据以上监测数据及分析结果，可以综合得出以 下结论。 参考文献 【１】徐建设，张卉，南建林．贺天海．多高层建筑大悬挑结构的悬挑方案 及适用范围【Ｊ］ｌ建筑科学，２０１４（０７）：１２５—１２８． 【２】赵国鹏．钢筋混凝土空腹桁架在高层建筑设计中应用【Ｊ１．城市建 筑，２０１５（１２）：０１８． ①总体而言实际工程结构与设计理论符合度较 好。 ②梁上测点的应力应变监测值均不超过预警值； 五层１３／Ｅ轴上立柱部分混凝土测点应力应变监测值 超过预警值（不超过报警值），其余均未超过预警值。 结构卸载前后沉降量控制在限值内。工程在全过程监 ４２ 【３］哈敏强．型钢混凝土空腹桁架转换结构在高层建筑中的应用［ｊＩ．结 构工程师，２０１０（２５）：８—１３． ［４】曹常虎，何淅淅．空腹桁架转换结构在多高层建筑中的研究与应用 背景建筑工程学院学报，２００５（３）：１ ｌ—ｌ４． 测期间处于安全受控状态。
