某超高層逆作法施工結(jié)構(gòu)方案的思考

馮平

摘要：本文對(duì)某超高層逆作法施工結(jié)構(gòu)方案中主要問題進(jìn)行了分析，并選擇合適的逆作法結(jié)構(gòu)方案。對(duì)逆作法施工過程中臨時(shí)支撐住、臨時(shí)轉(zhuǎn)換梁施工過程中受力和變形影響細(xì)致分析，確保在合理的施工速度下結(jié)構(gòu)的安全。

關(guān)鍵詞：逆作法；臨時(shí)支撐柱，臨時(shí)轉(zhuǎn)換梁；

一、工程概況

廣東省深圳市后海中心區(qū)西南角，后海大道東側(cè)，由獨(dú)棟高層住宅和商業(yè)裙樓組成，住宅49層，高149.50米，商業(yè)裙樓4層；地下室共四層，總建筑面積為37228.79㎡。本工程±000為絕對(duì)標(biāo)高5.050m，基坑開挖深度約16.5m?？偲矫鎴D及建筑效果圖詳見圖1、圖2。

從以上總圖可以看出，本工程在東、南、北三面都有一建成的高層建筑，西面為后海大道。本工程周邊已建建筑物地下室為一層至兩層，相對(duì)于本工程地下室深度有較大高差，約為8.5m～12m，地下室距原有建筑距離約為6.6m～7.8m。典型結(jié)構(gòu)平面和建筑剖面詳見圖2，圖3。

二、逆作法施工的思考

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，距周邊建筑較近，基坑深度較大，常規(guī)支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑的開挖容易產(chǎn)生變形，這將對(duì)周邊已有建筑影響較大；而且本工程場地較為狹小，不便于工作面的展開。

同時(shí)逆作法能很好的克服以上問題，樓蓋支撐剛度大，基坑變形小，相鄰建筑物沉降??；支護(hù)結(jié)構(gòu)擋土、擋水及承重三合一，可節(jié)省地室外墻費(fèi)用；采用樓蓋支撐，可節(jié)省支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐系統(tǒng)；上地下同時(shí)施工，能有效地縮短施工總工期。結(jié)合上述情況在考慮基坑支護(hù)和基坑施工方案時(shí)施工單位和業(yè)主提出時(shí)候可以采用逆作法施工的工藝。

從設(shè)計(jì)角度來看，逆作法施工隊(duì)地下室部分就是相當(dāng)于利用永久結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)，來承受基坑開挖施工階段和建筑長期使用階段水壓力、土壓力和上部結(jié)構(gòu)荷載。由于地下結(jié)構(gòu)布置是為了滿足上部結(jié)構(gòu)傳力需要，而不是為了作為內(nèi)支撐系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，其從支撐系統(tǒng)的角度出發(fā)，不一定是最優(yōu)支撐結(jié)構(gòu)。

三、逆作法施工中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析及處理

由于逆作法施工過程是與設(shè)計(jì)過程密不可分的，需要考慮施工過程中臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)各種相互影響關(guān)系，剪力墻部分在逆作時(shí)臨時(shí)轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)臨時(shí)轉(zhuǎn)換梁的受力變化，樓蓋作為水平支撐是內(nèi)里和其承受豎向荷載作用下的差別。以下將對(duì)逆作法過程中主要問題進(jìn)行專項(xiàng)分析。

為了全面了解對(duì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)布置形式以及其在施工階段受力情況，對(duì)結(jié)構(gòu)施工過程做進(jìn)行分析。假定施工過程如下：上部結(jié)構(gòu)和地下室以地下室頂板為界。

上述施工過程分析采用通用有限元軟件Midas gen 進(jìn)行整體建模計(jì)算。梁柱采用桿件單元，樓板和墻體采用殼單元，為了簡化計(jì)算水、土壓力當(dāng)荷載施加于地下室側(cè)壁上，未考慮土體參與整體計(jì)算。

計(jì)算過程中考慮的荷載：

1.已完成施工的部分結(jié)構(gòu)自重荷載；

2.當(dāng)前施工樓層的施工荷載；

3.上部樓層考慮10年一遇的風(fēng)荷載；

4.土壓力荷載；（考慮水土合算的方式）

計(jì)算荷載加載方式：（計(jì)算過程采用靜力加載）

1.結(jié)構(gòu)自重程序根據(jù)截面尺寸自行計(jì)算；

2.施工荷載當(dāng)活荷載施加于樓面板；

3.風(fēng)荷載采用程序自動(dòng)計(jì)算施加于樓面剛心的位置；

4.當(dāng)作壓力荷載施加于地下室外墻上。

一）逆作法臨時(shí)豎向支撐系統(tǒng)分析

本工程在逆作法時(shí)臨時(shí)豎向支撐的難點(diǎn)在于有較多剪力墻落地，對(duì)于框架柱常用型鋼柱和鋼管混凝土柱作為臨時(shí)支撐。對(duì)于剪力墻的部分臨時(shí)支撐則較為復(fù)雜，為了合理的選擇臨時(shí)支撐系統(tǒng)，對(duì)已有的部分逆作法工程進(jìn)行對(duì)比分析如下：

根據(jù)上述項(xiàng)目分析，逆作法施工過程中對(duì)框架柱的處理較為明確，采用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱較多，目前也有采用人工挖孔樁直接作為主體結(jié)構(gòu)受力柱的形式。而對(duì)于有剪力墻的部位，有些項(xiàng)目對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)部位采取順做發(fā)，有些根據(jù)自身特點(diǎn)采取帶約束拉桿的異型鋼管混凝土柱作為臨時(shí)支撐，帶約束拉桿的異型鋼管混凝土柱作為剪力墻邊緣構(gòu)件的一部分的處理。

本工程根據(jù)自身特點(diǎn)：主體結(jié)構(gòu)較高，為超B級(jí)高度框支剪力墻結(jié)構(gòu)，單柱軸力較大，對(duì)框支柱和落地剪力墻延性要求較高的，本工程選用鋼管混凝土柱作為臨時(shí)支撐柱使用。逆作法選用的是一柱一樁模式，樁基礎(chǔ)采用大直徑?jīng)_空樁。為了較好的適應(yīng)逆作法時(shí)的臨時(shí)支撐柱的布置，在剪力墻端部結(jié)合結(jié)構(gòu)受力需要布置了端柱。具體結(jié)構(gòu)布置詳見下圖：

由于本工程高寬比較大，對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度需要較大，如考慮按疊合住的形式設(shè)計(jì)框架柱，其截面將從現(xiàn)在1200x1800，減小為1200x1200+（D800x16），截面面積減少33%。能極大的提高建筑使用面積。為此結(jié)構(gòu)柱截面慣性矩在長邊方向減少70%，對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度有較大影響。綜合上面的因素考慮，為利用核形鋼管混凝土柱在后期的受力作用，因此建議在進(jìn)行結(jié)構(gòu)前期設(shè)計(jì)階段要充分考慮后期施工方案有效的利用各方面的有利條件，做到設(shè)計(jì)到施工的有機(jī)統(tǒng)一。

在對(duì)剪力墻部分豎向支撐布置和支撐轉(zhuǎn)換時(shí)作了較為細(xì)致的考慮。采用常規(guī)做法時(shí)，在圖示臨時(shí)封堵剪力墻部位為建筑門洞，如不封堵剪力墻洞口，直接利用下部轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸較大，梁截面較寬，對(duì)建筑功能將造成不便。為了更好的滿足建筑建筑功能的需要，再一層樓面位置轉(zhuǎn)換位置設(shè)置型鋼混凝土梁，提高粱的抗減和抗彎能力，較好的控制梁截面。考慮地上一層施工時(shí)稱墻體荷載由型鋼梁承擔(dān)，由于只承擔(dān)一層墻體的重量梁截面不會(huì)太大，將梁做成與墻體等寬的型鋼梁，較好的滿足建筑功能要求。在上部墻體施工時(shí)，一層在部分墻體部位和臨時(shí)封堵墻形成一片完整的深梁，這是考慮墻體深梁作用去承受上部結(jié)構(gòu)的的荷載，具有較大承載能力，型鋼梁在此時(shí)，充當(dāng)墻體拱效應(yīng)作用下的拉桿，承擔(dān)較大的拉力。在整體下施工過程中型鋼梁的設(shè)置和墻體封堵起到了連接前后受力的關(guān)鍵作用。也是本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新部分，具有較高的實(shí)用價(jià)值，可供類似項(xiàng)目參考。

其他部位墻體下臨時(shí)支撐均按類似方案處理，初步估計(jì)支撐鋼管混凝土柱截面為D450x12，內(nèi)灌C60混凝土，單柱極限豎向承載力約為Ru=13500kN。

在本工程墻體轉(zhuǎn)換時(shí)還思考了一種方案，就是采用同“廣州名匯商業(yè)大廈”類似的代約束拉桿的異型鋼管混凝土柱，利用異型鋼管混凝土柱作為剪力墻暗柱的同時(shí)，作為剪力墻臨時(shí)支撐柱。在對(duì)比分析兩種方案時(shí)，考慮各自優(yōu)缺點(diǎn)如下：

異型鋼管混凝土柱最大的優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)剪力墻較為復(fù)雜的情況，在約束拉桿布置恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候承載力與圓鋼管混凝土接近，其缺點(diǎn)是與剪力墻連接關(guān)系較為復(fù)雜（剪力墻暗柱范圍），用鋼梁相對(duì)圓鋼管混凝土柱較大。圓鋼管混凝土柱優(yōu)點(diǎn)是承載力較大，用鋼梁相對(duì)較省，缺點(diǎn)是對(duì)較為復(fù)雜的剪力墻不好處理，最后綜合考慮本工程采用圓鋼管混凝土柱。

2）水平面樓面支撐系統(tǒng)

作為逆作法支撐系統(tǒng)的重要組成部分，樓板在此過程中起到常規(guī)支護(hù)結(jié)構(gòu)中水平支持撐的作用。樓面在常規(guī)結(jié)構(gòu)中主要起到承受豎向力的作用，在逆作法施工過程中去要承受水平力，因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)樓面開洞的部位或樓面連接薄弱的部位樓面的是否能滿足水平力的傳遞和保證合適的樓面剛度對(duì)于整個(gè)水平支撐系統(tǒng)的作用有著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度進(jìn)行詳盡的計(jì)算分析。

（3）設(shè)計(jì)中關(guān)鍵構(gòu)件分析

對(duì)于本工程圖中型鋼轉(zhuǎn)換梁起著承托上部結(jié)構(gòu)墻體重量的關(guān)鍵作用，為了細(xì)致的了解其受力情況和鋼梁與墻體在施工過程中共同工作的情況，取其中一片墻體做了較為細(xì)致的分析，通過`對(duì)各施工階段的分析了解型鋼轉(zhuǎn)換梁和上部剪力墻墻體的受力變化。由于篇幅原因，以下僅對(duì)第一、第二施工階段進(jìn)行介紹。

1）第一階段

通過計(jì)算分析考慮剪力墻門洞臨時(shí)封堵后型鋼梁和上部墻體能有效的共同工作，有較強(qiáng)的拱效應(yīng)，型鋼梁承受較大的拉力，其彎矩相對(duì)較小，基本可以忽略。能滿足個(gè)階段的受力要求。

結(jié)束語

本工程逆作法豎向支撐的選在在綜合對(duì)比分析已施工項(xiàng)目的特點(diǎn)和其優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合本工程實(shí)際情況選用了鋼管混凝土柱作為臨時(shí)豎向支撐。在剪力墻的處理上創(chuàng)新的采用了型鋼梁和剪力墻臨時(shí)封堵措施的結(jié)合，使墻體在不同工作階段共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)作用的情況。在對(duì)地下室逆作的過程中細(xì)致的分析反映，以樓面作為水平永久支撐，其剛度較大，樓內(nèi)面水平方向位移較小，對(duì)減小周邊建筑和地面的沉降變形有較大作用。鋼管混凝土柱承載力高能以較小的截面面積獲得較大的承載力，上部剪力墻采取鋼管混凝土柱結(jié)合型鋼梁轉(zhuǎn)換能更好的滿足建筑功能要求，能較好適用于剪力墻平面相對(duì)規(guī)則的情況。

本工程逆作法整體分析計(jì)算過程尚存在日后設(shè)計(jì)分析需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方：

1）未考慮土體和結(jié)構(gòu)體共同工作的特點(diǎn)，采取以荷載形式考慮其土壓力。

2）在施工模擬分析是未考慮混凝土強(qiáng)度和彈興模型隨臨期變化的關(guān)系。

3）計(jì)算采取個(gè)施工階段最后形式進(jìn)行，未考慮開挖過程中的動(dòng)態(tài)變化的影響。

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