风环境下600米级超高层建筑不等高同步攀升安全建造步距研究

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随着我国经济建设的迅猛发展与城市化进程的快速推进,城市人口密度陡增与土地资源日益紧张的矛盾愈发严峻,促使我国建筑朝着综合化、大型化、高层化的方向快速发展。超高层建筑凭借其良好的土地利用率及城市形象提升作用,越来越多地受到广大城市建设者的青睐。上海金茂大厦、广州西塔、广州东塔、上海环球金融中心、上海中心等工程不断刷新着我国摩天大楼的新高度。然而随着建筑高度的不断增加,超高层建筑结构对风荷载的敏感性也越来越大。在风荷载作用下,容易产生较大的侧向变形及应力,危及结构安全。对于处于建造期内的超高层建筑(非完整结构),其整体刚度大小及分布与设计预期差异较大,导致风荷载对其结构安全的影响愈发突出和严峻。由于建造期内外筒不等高同步攀升建造步距对结构的整体刚度大小及分布有着决定性影响,因此,研究风环境下超高层建筑不等高同步攀升建造步距具有十分重要的理论意义和工程应用价值。本文依托600米级天津高银117大厦工程,采用理论分析、现场监测和数值模拟相结合的方法,系统研究了建造期强风作用下600米级超高层建筑的高空建造风环境分布、非完整结构风致响应规律、不等高同步攀升建造安全步距及建造措施等关键问题,主要研究内容和成果如下:(1)首先系统介绍了超高层建筑不等高同步攀升法的概念、意义、优点及应用现状;其次基于天津高银117大厦工程实际,对超高层建筑不等高同步攀升法的实施工艺流程及关键控制点进行简单阐述;最后对超高层建筑不等高同步攀升安全建造步距的影响因素进行了全面深入地分析,并指出风环境是最大安全建造步距的决定性影响因素,为后续研究的开展指明了方向。(2)针对超高层建筑结构在倒三角形等效风荷载作用下的位移响应,采用连续体-微分方程法建立计算公式,揭示了600米级超高层建筑内外筒在一定建造步距下风速与结构位移之间的数学关系,并推算出了几种风况下天津高银117大厦的结构位移响应特征。(3)依托600米级天津高银117大厦,采用GPS-GLONASS-BDS三星座组合导航定位系统GNSS-RTK技术对其建造期内强风作用下的风致位移进行现场实时动态监测,同时基于Kalman滤波理论,采用Matlab软件编制程序,对GNSS-RTK监测数据进行处理并有效去噪,降低低频噪声的影响,得到了其振动曲线,揭示了其振动特性。鉴于风环境下现场实测结果,建议内外筒尽量保持稳定施工步距,如遇外筒进度滞后,在最大安全内外筒步距差内,内筒可继续向上施工,加快施工进度。(4)采用ANSYS商用仿真模拟软件建立三维数值模型,考虑几何非线性、材料弹塑性及初始几何缺陷等因素,分析竖向荷载组合及水平风荷载作用下,内外筒不同施工步距时核心筒的非线性稳定性及构件强度问题。研究表明:考虑几何非线性、材料非线性和初始几何缺陷时,结构在风荷载作用下为整体侧向失稳;确定第三阶段内外筒的最大建造步距为:核心筒领先外框架75m,核心筒领先外框混凝土楼板100m,核心筒领先最上一个封闭桁架层125m;建议外框架的压型钢板铺设紧跟楼面钢梁的安装,及时浇筑水平楼板混凝土,以增强核心筒与外框架之间的联系。(5)基于天津高银117大厦施工实际,运用前几章分析研究的数据和结论,系统分析了风环境下超高层建筑不等高攀升建造控制关键要点,提出了一套风环境下超高层建筑不等高同步攀升建造关键技术,包括:安全步距内总平面管理、塔吊与模架爬升施工组织、外筒施工组织、施工电梯规划、临水临电的转换、BIM技术的应用等成套关键技术。
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