国外某复杂地下空间的设计与建造.doc

国外某复杂地下空间的设计与建造建筑的revit模型 2003年，华盛顿会议中心启用不久，就开始规划在附近建造一个酒店，华盛顿万豪侯爵酒店可以和华盛顿会议中心共用地下室顶板。但事实并非如此，直到五年后，方案才确定下来并开始建筑设计。一旦竣工，这座4星级酒店设有1175间客房，一个30000平方英尺的宴会大厅，两个10800平方英尺的初级宴会厅和53000平方英尺的会议空间。设计团队采用了非常规的设计方法来满足整个建筑的设计要求并满足城市的建筑物限高要求；它与历史悠久的AFL-CIO总部大楼及PEPCO电气公用变电站共用一个三角形地块。这样一来建筑设计需要延伸到地面100英尺以下，这比这座城市的任何建筑都深。这座15层的建筑主要为混凝土框架结构，地下7层则主要依赖于5100t结构钢以完成逆作施工方案。 逆作法 塔楼的外形为多边形，内部中庭的顶部面积为半英亩，由大跨度钢桁架进行支撑。地下钢结构部分包括18英寸和24英寸的预应力混凝土楼板。楼板的厚度由侧向土压力引起的平面内剪应力决定。在某些应力集中的部位，仅有混凝土结构无法提供足够的承载力，此时，宽翼缘结构构件和钢板就被浇注在楼板中，这些楼板由型钢混凝土柱进行支撑。钢柱被插入5英尺和7英尺直径的混凝土中。传统的锚固方法不能使用，因为酒店靠近Pepco大厦和AFL-CIO大楼以及地下的会议中心地下室顶板，十字形等支撑形式无法采用。这些系统中钢材的尺寸和频率非常重要，最重要的是，设计中需要克服静水压力进行难度很高的土壤和深度挖掘。 经过慎重比较各种挖掘技术，团队选择了自上而下的逆作施工方法，采用周边泥浆墙对上部结构进行支撑。这种施工方法需要先安装地下柱，钢柱无疑是最好的选择，因为它们可以在现场进行拼接，与钻孔桩钢筋笼进行绑扎，下调至转动轴承的位置并固定，而转轴混凝土采用混凝土导管法放置在膨润土浆下。在连续板进行浇注后对钢柱进行包裹，然后再向下挖掘，并充分利用其来承担施工荷载和结构自重。设计的复合截面最终能够承担全楼荷载。这样一来逆作施工时使用的钢柱可以减少100t的钢材用量。 地下宴会厅 所有的宴会厅都安排在地下，这对结构带来巨大挑战，唯一的解决方法就是钢结构。两层楼高的大宴会厅叠加在两层楼高的初级宴会厅之上，大体积容量的宴会厅相应也有大的开洞，这些大的开洞需要垂直运输和机械滚轴传递，只留下很小一部分结构来承担由高土壤压力和井水压力产生的平面内应力。很多部位，各个开洞之间和周边连续墙之间只有10英尺到15英尺的楼板。 Thornton Tomasetti团队进行了广泛的非线性有限元分析，以确定地下各层上百种截面在平面内的轴力，弯曲应力和剪切应力。在很多位置，混凝土和常规的钢结构部分不足以承受设计荷载，同时，楼板厚度大于24英寸也是不现实的。当截面剪切应力超过规范标准时，半英寸到2英寸厚度范围的钢板被附加上来一同承受设计剪力，通过使用嵌入楼板中的双头螺栓来传递荷载。在轴向力和弯矩较高的部位，W14宽翼缘构件被嵌入钢板来承受压力和拉力。大开间的宴会厅空间也需要大跨度框架来支撑上部和下部的楼板、再一次采用钢结构是理想的解决方案。两个10800平方英尺的初级宴会厅分列在27英尺宽走廊的两侧，这样，下部的两排钢柱可以作为上部30000平方英尺大宴会厅楼板的支撑。大宴会厅的大跨度楼板是由下部走廊支撑，小宴会厅为无柱结构。楼板主要框架为9英尺高的钢桁架，跨度为27英尺，另一个方向跨度80英尺，为填充钢梁板结构。填充框架不仅要承担宴会厅荷载，同时也需要有足够的刚度来限制音乐或舞蹈带来的振动，并支持下部宴会厅的分区。225英尺 135英尺的大宴会厅部分正好处于一层的主厅和中庭下面，另一部分在东面、西面和南面15层的客房下部。支撑大宴会厅上部的框架包含8个内置钢板梁，间距为27英尺，横跨135英尺，楼板是复合钢梁板。原来的框架设计中为重钢桁架。在设计建造过程中，Canam-Structal公司（钢材制造商）建议采用内置板代替钢桁架以降低成本方便施工。沿着东西面两侧的大梁支撑着四个等间距的塔楼柱，同时伴有很多较小的梁板和柱列。这些梁端截面为11英尺高，翼缘尺寸宽68英寸，厚4英寸，腹板厚2英寸。支座间有6根大梁，支座距离南端柱为17英尺6英寸。中间大梁高度为10英尺4英寸到10英尺6英寸，翼缘尺寸为2英寸 34英寸到3英寸 42英寸之间，腹板为1.5英寸厚。沿着大宴会厅相应位置上部的钢框架，大部分剩余的楼板也是由钢框架结构来完成复杂的几何外形，同时也有很多大板由小尺寸柱支撑。除了跨越大宴会厅的8根大梁，大概有额外的35个内置钢板梁，厚度在3英尺到6英尺之间，跨度从几英尺到30英尺之间。 宽翼缘板钢结构加固 典型的逆作施工钢柱 挠度控制 最复杂的结构性挑战来自大宴会厅上部的楼面框架，需要控制挠度来限制楼面沉降及其支撑的楼面。设计出在塔楼恒荷载下能够符合限定挠度的大梁不仅不经济也不太可行。在建造过程中，设计团队设想出两个独特的方案来控制塔楼沉降。第一个方案，是在东面、西面的梁端进行处理，在上层结构建造前先在梁上施加荷载并使其产生一定的挠度。通过采用液压千斤顶和拉杆，顶在四个钢柱大梁下方直接嵌入到下部的基岩中的混凝土挖孔桩中。顶住以后，锁定锚杆，移除千斤顶。随着上部结构的建造，大梁被加载，拉杆上的应力逐步减轻。当完成上部荷载之后，应力值达到最小，这时就可以移除。在宴会厅的位置，使用柱子来反作用于千斤顶是完全不必要的，但是它们需要用来支撑底层结构，并且作为逆作施工过程中的一部分。因此，它们适合用于反力构件，一旦顶托工作做好以后就可以被去除。 钢板梁和大宴会厅钢桁架楼板骨架 第一板梁架设前开始逆作施工建设 11英尺深的地面传送主梁 第二个用于沉降控制方案着眼于中梁，沿着南部柱进行支撑。在这些部位，对梁板进行预加载并不可行，因为柱子并不直接在梁下。相反，方案中包括在梁板顶部和直接在柱子底部使用建筑钢材锥形垫片。随着每层上部结构的建造，梁板和楼板会发生一定的偏转。当第二层增加的挠度值达到预定的1/8英寸限制时，柱子被千斤顶往上顶起直到第二层楼板回到设计高度。第二层往上的每一层楼板都进行了高度控制而不是标高控制，这样只有第二层楼板的标高需要进行监控。为了限制由柱沉降引起的梁板应力，就在柱子的理论反弯点处附近的楼板上设置铰。最终的柱顶推设计方案和执行是承建商和设计团队之间的共同努力，包含了项目钢结