0 引言

　　巨型框架悬挂结构^[1,2]是将部分次结构悬挂在顶部加强桁架梁上的一种新型结构形式，可充分发挥钢材抗拉性能，降低结构自振频率，减少地震对结构的影响。由于将部分次结构悬挂在主结构上，可减小悬挂钢柱截面尺寸，降低用钢量，更加灵活地布置室内空间，产生良好的经济和社会效益。近年来，巨型框架悬挂结构体系在高层办公楼和公共建筑中得到了少量应用，如香港汇丰银行、广东省博物馆新馆^[3,4,5]、武汉中心工程^[6]等。但与这种结构形式相关的技术标准匮乏，其关键节点受力性能等诸多问题尚待研究。由于其特殊的受力方式，该结构体系在施工过程中应力可能转变过大，结构边界条件、外部荷载激励均有可能发生较大变化，对结构施工全过程的安全性和可靠性产生很大影响。

　　目前国内对大跨度钢结构施工与监测进行很多研究。文献[7]对多层大跨度钢结构连廊整体提升施工过程进行模拟分析与现场监测;文献[8]对南宁万达广场大跨度悬挑桁架结构进行模拟分析。由于巨型钢框架-上部悬挂下部支承结构体系较特殊，目前国内对这种结构形式的施工模拟与监测较罕见，比较典型的有文献[9]对珠海仁恒滨海中心A标段塔楼东侧逐层内收的悬挂结构进行模拟分析，保证施工质量和安全。

　　中科院量子信息与量子创新科学研究院(简称中科院量子院)1号科研楼A区为巨型钢框架-上部悬挂下部支承结构体系，采用顺向安装^[10]的施工方法和由上至下的楼层混凝土浇筑顺序，根据该新型结构形式的施工方式对施工全过程建模，计算和分析钢构件安装、临时支撑卸载、混凝土浇筑、钢柱嵌补段安装全过程，对关键节点和关键构件的应力和变形进行现场监测，对比分析有限元计算和现场监测结果，保障该结构体系施工全过程的安全。

　　1 工程概况

　　中科院量子院坐落于安徽省合肥市(见图1)，是中科院联合安徽省在合肥打造的国家级实验室，也是目前在建的全球最大量子信息研究室。

　　图1 中科院量子院效果  

　　中科院量子院1号科研楼由2栋高层及其裙房组成，构成H形，设计理念来自爱因斯坦光量子假说E=Hv。其中南楼地上10层，北楼地上8层，包括实验室、科研用房等，总建筑面积252 594.7m²，地上建筑面积175 551.3m²，地下建筑面积77 043.4 m²，建筑最高处标高56.100m。包括8个结构单元分区，其中A区为巨型钢框架-上部悬挂下部支承结构体系，○7a～○8a轴线为45m大跨度上部悬挂下部支承结构。整个结构体系由主体框架和填充子结构组成，主体框架包括巨型框架柱、顶部加强桁架梁(上桁架)、底部转换桁架梁(下桁架)，如图2所示。

　　图2 巨型钢框架-上部悬挂下部支承结构体系计算模型  

　　框架柱采用箱形钢管混凝土截面和箱形钢管截面;楼层钢梁与桁架均采用H型钢截面，其中框架主梁为焊接H型钢，次梁为热轧H型钢，钢材为Q345B,Q345C;填充子结构中各楼层之间的悬挂钢柱均采用H400×600×20×40型钢。

　　2 施工技术

　　中科院量子院1号科研楼A区巨型钢框架-上部悬挂下部支承结构体系采用顺向安装^[10]的施工方法和由上而下的混凝土浇筑顺序，不仅方便施工及降低造价，也符合结构受力特性，保证结构施工安全。

　　顺向安装的整体思路为:安装主体框架时，为防止下桁架因跨度过大而不能有效承担填充子结构自重，先设立格构式临时支撑，再由下而上分别安装下桁架下弦杆、腹杆和上弦杆。在顺向安装的顺序下，为防止4～5层间悬挂钢柱承受压力过大而破坏，先设置圆钢管临时支撑，再安装6层填充子结构楼板、悬挂钢柱及上桁架。待混凝土浇筑完毕再卸载格构式临时支撑和圆钢管临时支撑，以形成上部悬挂的结构形式。最后再进行4～5层钢柱嵌补段的安装，以形成完整的结构体系。该种逐步施加荷载的施工方法符合基本传力状态。

　　由上而下的混凝土浇筑顺序的总体思路为:先进行上桁架和下桁架楼层混凝土浇筑，使巨型框架柱、上桁架、下桁架组成的主体框架结构具有一定刚度。当主体框架成型并达到足够刚度后，便可卸载临时支撑，6层填充子结构楼层再按从顶层到底层的顺序进行混凝土浇筑。

　　根据不同体系受力状态和重要施工阶段，将顺向安装和由上而下浇筑混凝土的施工全过程分为8个工况:(1)工况1设置下桁架底部格构式临时支撑，安装下桁架;(2)工况2安装4层圆钢管临时支撑与5层钢梁;(3)工况3由下而上安装5～10层填充子结构楼层钢梁和悬挂钢柱;(4)工况4安装上桁架下弦杆、腹板及上弦杆;(5)工况5浇筑3,4,11层上桁架和下桁架楼层混凝土;(6)工况6拆除底部格构式临时支撑与4层钢管临时支撑;(7)工况7

　　由上而下浇筑5～10层填充子结构楼层混凝土;(8)工况8进行4层钢柱嵌补段安装。

　　3 施工全过程模拟分析

　　采用有限元软件MIDAS/Gen施工阶段分析模块对中科院量子院1号科研楼A区全过程进行模拟分析，探究巨型钢框架-上部悬挂下部支承结构体系在施工过程中的应力和变形规律。8个施工工况较全面代表施工全过程中的重要阶段，其中工况7又可划分成6个分部施工工况。利用MIDAS定义每个施工工况的结构组、荷载组和边界组，利用组的激活和钝化功能建立不同施工阶段联系，使下一阶段施工工况模拟建立在上一施工工况模拟基础上，最终达到施工全过程模拟的目的。

　　该计算模型由2 462个结点和6 060个单元组成，所有钢结构单元均采用Q345钢材。钢柱、钢梁与临时支撑均采用梁单元模拟，钢管混凝土柱采用组合截面模拟;利用混凝土楼板替代钢筋桁架楼承板，计算表明，钢筋桁架楼承板和混凝土楼板重度相差很小，将混凝土重度设置为26kN/m³即可有效模拟该楼板。模型建立范围为○6a～○9a轴线，实际包括跨度达45m○7a～○8a轴线，因此充分考虑了附近楼层对填充子结构楼层的影响。巨型框架柱底部边界条件设置为刚接;上桁架与下桁架所包含的上弦杆、下弦杆、腹板均采用刚接;由于钢筋桁架楼承板为一体化浇筑，因此填充子结构的楼承板与周围楼承板同样采用刚接。计算荷载考虑恒荷载、活荷载和风荷载，考虑到其他因素诸如施工荷载的影响，恒荷载乘以1.1扩大系数。8个主要工况下的结构应力云图如图3所示。模拟结果表明，施工过程中构件单元最大应力值为95.8MPa，位于填充子结构5层钢梁和巨型框架柱节点处，对应施工工况8。结构最大变形为19.90mm，位于上桁架下弦杆跨中，对应施工工况8。根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》规定:(1)杆件屈服强度设计值300MPa;(2)钢梁受弯挠度容许值L/400。巨型钢框架-上部悬挂下部支承结构体系施工全过程中应力和变形完全满足规范要求。

　　4 监测方案

　　由于巨型钢框架-上部悬挂下部支承结构体系特殊，施工不同阶段应力和变形可能发生较大变化，然而目前标准规范对于此类结构缺乏具体规定，因此，对施工全过程进行监测是保证结构安全施工的关键。根据关键构件和关键节点应力和变形数据，评价结构受力性能，确保施工全过程中所有构件均处于标准规定的安全范围内。

　　本工程应用无线应变监测技术，采用应变传感器、无线数据收发器、数据采集仪等监测仪器实时监测关键构件和关键节点应力。在构件初次安装时读取应力传感器数据，将后期现场监测的数据和初次数据进行对比分析来获取构件应力状态。采用全站仪对关键节点变形进行监测。

　　中科院量子院1号科研楼A区基本呈对称式构造布局，选取横向跨度较大一侧?，?轴进行监测，监测范围包括跨度达45m○7a～○8a轴线(见图4)。共布置62个应力测点，每条轴线分别布置31个测点，编号D1～D31,F1～F31，其中包括上、下桁架弦杆测点12个，腹杆测点4个，填充子结构楼层测点12个，巨型框架柱测点3个;布置6个变形测点，每条轴线包括3个测点，编号DB1～DB3,FB1～FB3，应力及变形监测点如图5所示。

　　图3 8个施工工况下的应力云图  

　　图4 监测范围示意  

　　图5 应力及变形监测点布置  

　　5 有限元模拟与监测结果对比分析

　　5.1 上、下桁架应力分析

　　选取上、下桁架部分测点F5,F8,F24,F28,D5,D8,D24,D28进行8个施工工况下的应力对比分析，对比结果如图6所示。根据有限元模拟和监测结果对比可知:

　　1)该结构体系采用顺向安装施工方法，在工况1～8全施工工程中，下桁架从工况1开始承担填充子结构荷载作用;上桁架安装完成(包括上、下桁架楼层混凝土浇筑后)，下桁架、圆钢管临时支撑、各层悬挂钢柱压应力均有所增大，表明临时支撑卸载前，该结构体系并未发挥应有的悬挂作用;当4层临时支撑卸载后，上、下桁架监测点数值均发生较大变化，上桁架内力极大增加，下桁架内力大大减小，且部分测点出现拉、压应力转换，表明该结构体系转变为悬挂结构体系。当4层钢柱嵌补段安装后，上、下桁架各测点值基本无波动，表明4层钢柱嵌补段对该结构体系并不承担受力作用。

　　2)有限元模拟值和现场监测值吻合较好，大多数工况下测点数值的误差维持在15%以内，有限元模拟值可较好地预估施工过程中上、下桁架实际应力;且?，?轴对应位置杆件应力变化趋势基本一致，反映出模拟和监测结果合理可靠。

　　5.2 巨型框架柱应力分析

　　选取巨型框架柱上、下端测点F1,F3,D1,D3进行8个施工工况下应力对比分析，如图7所示。根据有限元模拟和监测结果对比可知:

　　1)主体结构巨型框架柱在下桁架安装前已安装完成，随着填充子结构与上、下桁架安装，巨型框架柱承受的荷载不断增大;4层圆钢管临时支撑卸载后，巨型框架柱内力未发生较大变化，表明拆除临时支撑对巨型框架柱内力影响不大;填充子结构楼层混凝土浇筑后，巨型框架柱内力大大增加，表明填充子结构荷载并不完全由上桁架承担，巨型框架柱也承担部分荷载，保证了结构体系的安全性。

　　2)巨型框架柱上、下端测点对比结果表明，有限元模拟和现场监测结果吻合较好，多数工况下测点数值误差能维持在15%以内。巨型框架柱实际应力在整个施工过程中保持平缓、逐步受力状态。?，?轴巨型框架柱对应位置处应力变化趋势基本一致，反映出模拟和监测结果合理可靠。

　　图6 上、下桁架部分监测点模拟与监测应力对比  

　　图7 巨型框架柱上、下端监测点模拟与监测应力对比  

　　5.3 填充子结构悬挂钢柱应力分析

　　选取填充子结构悬挂钢柱部分测点F19,F21,D19,D21，进行8个施工工况下的应力对比分析，如图8所示。根据有限元模拟和监测结果对比可知:

　　图8 悬挂钢柱部分监测点模拟和监测应力对比 

　　1)填充子结构中悬挂钢柱在施工过程中会处于拉压变化状态。分析表明，由于采用顺向安装施工方法，悬挂钢柱从工况2开始安装时便处于受拉状态;上桁架安装完成包括上、下桁架楼层混凝土浇筑完毕后，结构并未形成有效悬挂体系，此时悬挂钢柱承受的压力仍不断增大;临时支撑卸载后，应力曲线清楚显示悬挂钢柱拉压状态发生转变，并且承受较大拉力，表明结构发挥了有效的悬挂作用，充分利用了钢材抗拉性能。

　　2)对比结果表明，有限元模拟值和现场监测值吻合较好，多数工况下测点数值误差能保持在10%以内，个别工况误差相差较大。?，?轴对应位置处悬挂钢柱应力变化趋势基本一致，表明有限元模拟值可较好地反映施工过程悬挂钢柱实际应力。

　　5.4 变形分析

　　选取变形测点DB1,DB3,FB1,FB3进行8个施工工况下的变形对比分析，如图9所示。根据有限元模拟和监测结果对比可知:

　　底部格构式临时支撑在施工全过程中变形不断增大，有效承担了上、下桁架和填充子结构荷载;上桁架下弦杆变形在施工过程中不断增大，当临时支撑卸载后，变形大幅增加，表明填充子结构荷载转移为由上桁架承担，结构体系发挥了有效的悬挂作用。在工况8钢柱嵌补段安装完成后，下桁架跨中变形基本无变化，反映出嵌补段钢柱不承担受力作用。对比结果表明，有限元模拟值和现场监测值吻合较好，变化趋势能保持一致。

　　图9 变形测点模拟和监测变形对比  

　　6 结语

　　1)巨型钢框架-上部悬挂下部支承结构体系采用顺向安装施工方法和由上而下混凝土浇筑顺序，包括临时支撑布置和拆卸，以完成结构受力体系转换。

　　2)采用MIDAS/Gen建立了该结构体系有限元模型，对施工全过程进行模拟。分析表明，当临时支撑卸载后，结构应力和变形会发生较大变化。填充子结构悬挂钢柱和上、下桁架部分杆件发生拉压转化，该结构体系能充分利用上桁架悬挂作用，发挥悬挂钢柱抗拉性能。

　　3)有限元模拟值可较精确地估计施工过程中的结构应力，有效验证了有限元模型和计算方法的合理性。