混合結構超高層建筑的施工過程模擬分析

吳天河，高媛，尉秀霞

(上海寶冶集團有限公司鋼結構分公司，上海201908)

現代超高層建筑在世界各國范圍內的廣泛應用，不僅對其結構設計的挑戰越來越大，通常由于其建筑造型新穎以及結構形式復雜，對此類超高層建筑的施工技術的要求也越來越高。設計師對于超高層建筑的結構設計分析都給予了足夠的重視，設計分析是以使用階段的結構模型作為研究對象，考察施加某個荷載工況或幾個荷載的組合工況下的荷載效應。然而超高層建筑的施工過程是一個伴隨結構形態和荷載狀態不斷變化的動態過程，會出現結構體系的轉換、施工荷載的增減等情況，施工階段實際產生的荷載效應與使用階段可能有較大不同，因而存在較大的施工安全隱患［1－2]，鑒于在我國有60%以上的工程結構倒塌事故因沒有考慮施工過程的力學分析而導致，規范也建議考慮施工階段的實際施工力學對結構產生的影響［3]。

本文結合科威特中央銀行總部大樓這一混合結構超高層建筑的施工安裝工程實例，用施工力學的方法對施工過程進行模擬分析，不僅可以優選出安全經濟的施工方案，還可以與施工同步監測所得的數據進行比較，對超高層建筑結構的安全施工提供技術支持。

1 工程概況

CBK工程項目位于科威特市的核心城區，其西北方向約500 m即科威特的王宮，北側臨阿拉伯海灣大街，隔街對面東北方向距離阿拉伯海僅100 m左右。此工程由塔樓及裙房兩部分組成，塔樓地下三層，地上含夾層共四十二層，總建筑高度238.475 m，總建筑面積68 771 m2，結構總用鋼量約為11 000多噸，其總體建筑效果如圖1所示。流暢明快的鋼結構斜交網格與阿拉伯世界傳統白色外墻勾勒出來的是一艘氣勢恢宏的巨大三角帆船。它的建筑理念來源于阿拉伯民族的偉大發明大三角帆船，阿拉伯語稱為“薩菲那赫”，是這個大部分被沙漠覆蓋的國家作為海航民族的圖騰。該建筑為非規則鋼筋混凝土核心筒與外側鋼框架組合而成的混合體系超高層結構，整個建筑結構由底部的L形隨著高度增高逐漸向等邊直角三角形過渡，兩直角邊為鋼筋混凝土剪力墻，斜邊采用逐漸內收的斜向交叉巨型鋼管混凝土斜柱形成斜交網格，斜柱雙向傾斜，平面內夾角分為14.4°和16.16°兩種，平面外角度 8.08°，并通過短梁與樓層邊梁的腹板連接。鋼結構和混凝土結構分別采用美國規范 AISC 360 －05 和 ACI 318 －02［4－6]。

2 施工方案

根據CBK工程的現場實際情況，該建筑的混凝土核心筒及外側鋼框架分別逐層施工，考慮混凝土與鋼結構這兩種結構體系的各自不同的施工要求和特點，結合施工現場的總體統籌部署，依據混合結構的施工經驗并經過試算，最終確定混凝土核心筒的施工進度控制保持在領先對應的外圍鋼框架約四層這樣的一個進度差值比較合理。借助混凝土核心筒剪力墻的一些特定位置預埋鋼板埋件作為外圍鋼框架中樓層梁的一個端部支撐，另一個端部支撐則由斜交網格巨型鋼管混凝土柱及邊梁系統來提供。

在結構施工階段，將整個施工平面劃分為兩個施工區段，各區段同時展開流水作業，分別以兩直角邊的外端部作為起點，同時向中間對稱安裝。混凝土核心筒的澆筑施工逐層由下往上進行，鋼結構單個施工作業面的安裝順序為:斜交網格鋼管柱的吊裝就位→胎架腳手架搭設→鋼框架邊梁安裝→樓層梁安裝→壓型鋼板的鋪設→樓層板的澆筑。

該工程在施工過程中有兩個難點:(1)轉換層的安裝結構第3－7層為結構的轉換層，由兩榀大型鋼管桁架組成，其中3－5層為Truss 03，5－7層為Truss 05，Truss 05與Truss 03的桁架平面方向成直角相交。Truss 05的局部懸挑長達25 m，Truss 03、Truss 05各有兩榀并且均為箱型截面，單榀重量分別為90 t和142 t，節點連接全部采用全熔透焊接。(2)D42構件的安裝此構件兩端連接于Truss 05上，其跨度為18 m，總重為34 t，結構設計上是由上方斜交網格鋼管混凝土柱群體系“提拉”D42構件來協同分擔此構件所承受的樓層荷載。

Truss 03、Truss 05以及D42構件的空間位置如圖2所示。

3 施工過程有限元分析

通常設計師在進行結構設計時重點考察使用階段建筑結構在不同荷載工況及其組合作用下的荷載效應，而實際上結構的自重荷載是在施工過程中隨著施工進度逐漸施加到結構構件上的，竣工時恒荷載作用下所產生的內力和變形是由各施工步的荷載效應依次累積而成，施工過程的“路徑”和“時間”效應直接影響施工階段及使用階段結構的受力性能，特別是對于時變結構力學的大型復雜結構，可能會在施工過程中由于結構喪失穩定性或發生強度破壞而導致工程坍塌事故，也可能會在竣工狀態下結構內力和變形過大而導致其在使用階段與其他荷載效應組合以后呈現較高的安全風險［7－8]。實際施工荷載和施工順序的不同對于施工分析結果的影響可能會非常大，原因在于:(1)豎向構件的剛度差導致構件的壓縮變形不一致，豎向位移差會導致水平構件附加彎矩尤其是負彎矩增大，對于超高層建筑來說，層數越高這種荷載效應越明顯。(2)結構在實際建造過程中逐層施加荷載會引起相應的內力和變形，但這種內力和變形不會影響到未建的上層結構，同樣未建成的上層結構也不會影響已建結構的整體剛度，因而結構在不同的施工階段具有不同的整體剛度。

較為準確的施工過程模擬分析方法為施工加載法，每個施工荷載步計算分析時，在前一個荷載步計算結構剛度矩陣的基礎上增加考慮新荷載步的剛度貢獻，依次迭代，如有N個荷載步，則要形成N次結構剛度矩陣并進行N次內力分析。因其計算過程復雜，可以采用數值方法進行模型分析，本文采用大型通用有限元分析軟件ETABS 9.5對CBK工程的施工過程進行分析計算。為使分析模型盡可能與實際吻合，結合本工程實際施工方案中將施工全過程劃分為34個施工荷載步，再按照施工荷載步的不同逐步施加荷載。在分析計算中，考慮了恒荷載、施工階段活荷載、溫度荷載以及風荷載這些荷載中最不利荷載組合作用下結構構件的受力和變形，結構的有限元模型如圖3所示。

本工程的結構轉換層中大跨度大懸挑的鋼構件和型鋼混凝土構件較多，施工過程中對于結構轉換層構件的強度和剛度驗算非常重要。通過初步有限元分析試算，發現在D42上方斜交鋼管混凝土柱群形成有效的“提拉”體系之前，D42桿件的應力和變形都比較大，給施工安全帶來隱患。在制定施工方案時針對這個問題結合現場實際空間位置條件特別給D42構件增設下部臨時桁架支撐。同樣通過試算發現，等到斜交網格鋼管混凝土柱以及相應的邊梁樓層梁第28層安裝完成時，上方的柱群能夠與D42構件整體協同工作，此時即可將桁架支撐卸載撤走。根據上述試算的結果合理地調整模型進行分析計算最終得出轉換層區域所有桿件的最不利工況下的應力比如圖4所示。最大應力比小于0.85，大部分構件的應力比都比較低，滿足設計要求。Truss 03和Truss 05構件的最大豎向變形值分別為15.3 mm和17.8 mm，D42構件在下部臨時桁架支撐卸載前后的最大豎向變形值分別為22.0 mm和39.6 mm，均滿足美國規范AISC 360－05的變形小于L/240的限值規定。

Truss 05的端部懸挑較長，結構設計時考慮到轉換層區域主要桿件的受力均衡，在桁架平面內設置了D479、D480、D656以及D657等支撐構件。原施工方案計劃在第26層安裝結束后再安裝Truss 05的懸挑部分，此時支撐亦需要安裝就位。根據現場的實際施工條件和合理緩解工期緊張的考慮，工程建設各方擬考察在第14層安裝結束后即提前安裝此懸挑部分的可行性。通過施工過程的有限元分析結果發現，D479、D480、D656以及D657等支撐構件的最大軸力由原施工方案工況下的3 190 kN、－5 561 kN、3 207 kN與－5 543 kN依次變為新施工方案工況下的3 223 kN、－5 619 kN、3 242 kN與－5 601 kN，雖然新施工方案中軸力均有所增大，但是也均小于各支撐桿件的設計荷載，因而新的施工方案提前安裝此懸挑部分不會給施工安全帶來隱患。

D42構件所在樓層第7層為關鍵樓層，此樓層關鍵節點的兩種施工方案下的豎向變形值在施工全過程中的累積變化情況如圖5所示。由圖5可以看出由于施工順序的變化，荷載步中施加的荷載不同最終導致節點在對應施工階段的豎向變形值也有較大的不同，因此可以考察施工全過程中不同施工階段的荷載效應是否存在不安全因素。由于隨著施工過程的結束兩種方案的最終建造成形是同樣的，同時可以發現不論原方案還是現方案，節點的最終荷載效應體現出的總豎向變形值是一樣的。

根據本工程的結構構造以及現場施工的條件，施工荷載步還可以更為精細劃分為63步。對此荷載分步工況下的結構模型進行施工過程的有限元模擬分析，對比先前的施工荷載步為34步的情形下的分析結果，發現施工荷載步更多的情況下結構構件的應力和變形數據都要略大一些，并且將這兩組變形數據與本工程現場實際監測的變形數據相比可以看出施工荷載步更多的情況下的數據更接近與實際監測值。

4 結論

1)施工過程中實際產生的階段性荷載累積效應可能會給施工帶來安全隱患，本工程中第28層樓層梁柱體系安裝完成之前，在D42構件下方設置合適的臨時支撐桁架可以使得轉換層的受力和變形滿足規范限值要求。

2)施工順序以及施工荷載施加步驟的不同會造成施工過程中結構構件的位形和應力的發展累積過程不同。

3)施工荷載步劃分越精細，施工過程模擬分析的結果數據與實際現場監測的結果數據就越接近。

［1] 曹志遠.土木工程分析的施工力學與時變力學基礎［J] .土木工程學報，2001，34(3):41－46.

［2] 李惠明.高層建筑施工過程中的安全分析［D] .北京:清華大學，1992.

［3] JGJ 3－2002，高層建筑混凝土結構技術規程［S] .

［4] ANSI－AISC 360－05，Specification for Structural Steel Buildings［S] .

［5] ANSI－AISC 360 －05，Commentary Specification for Structural Steel Buildings［S] .

［6] ACI 318－02，Building Code Requirements for Structural Concrete［S] .

［7] 郭彥林，劉學武.大型復雜鋼結構施工力學問題及分析方法［J] .工業建筑，2007，37(9):1－ 8.

［8] 劉學武.大型復雜鋼結構施工力學分析及應用研究［D] .北京:清華大學，2008.