超高層建筑上下同步逆作法中一樁一柱的鋼管柱應(yīng)力、位移研究

中建三局建設(shè)工程股份有限公司 上海 200129

0 引言

南京青奧工程作為國內(nèi)第一例300 m以上超高層建筑上下同步施工的成功范例，其施工過程中所取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于相關(guān)理論的驗證與完善具有重要的意義。本文通過對該工程塔樓鋼管柱沉降及應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果進行整理分析，以詳盡的數(shù)據(jù)說明超高層上下同步逆作法的可行性，推動上下同步逆作法施工在超高層建筑施工領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 南京青奧工程逆作法施工概況

南京青奧中心雙塔樓及裙房工程總建筑面積2.87×105m2，地下3層，地上由2棟塔樓及裙房構(gòu)成；塔1建筑高度249.50 m，58層；塔2建筑高度314.50 m，68層；裙房建筑高度27.5 m，5層。

工程整體采用上下同步逆作法施工，首先完成B1板，其后同步向上向下施工，塔樓施工至17層時，完成地下室底板。

塔樓為核心筒框架結(jié)構(gòu)，核心筒為鋼筋混凝土剪力墻，外框為鋼結(jié)構(gòu)。外框柱選用鋼管混凝土柱，直接插入樁基，形成一樁一柱作為逆作法階段豎向支承體系，底板封閉后轉(zhuǎn)為筏板-群樁共同受力；核心筒剪力墻在地下室范圍內(nèi)設(shè)置鋼管混凝土柱芯，并插入樁基，形成密排一樁一柱，在逆作法階段承擔上部剪力墻荷載，底板封閉后，施工剪力墻，鋼管混凝土柱作為剪力墻的暗柱繼續(xù)發(fā)揮作用，剪力墻荷載由筏板-群樁共同承擔[1,2]。

2 南京青奧一樁一柱鋼管柱概況

南京青奧工程外框一樁一柱鋼管柱截面尺寸為1 300 mm×1 300 mm～1 600 mm×1 600 mm，核心筒一樁一柱鋼管柱截面φ600 mm～φ900 mm，鋼管內(nèi)設(shè)置栓釘，鋼管內(nèi)采用水下C60自密實微膨脹混凝土，樁基采用水下C60混凝土，施工時一樁一柱混凝土一體澆筑。樁基入巖5 m，采用復(fù)式注漿。鋼管柱分布如圖1、圖2所示。

圖1 塔1鋼管柱平面布置

圖2 塔2鋼管柱平面布置

3 鋼管柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

塔樓區(qū)域鋼管柱選擇56個測點組進行應(yīng)力監(jiān)測，編號為1～57（編號10除外）。塔1選擇外框角柱4個（1、2、4、5），截面1 600 mm×1 600 mm；外框中柱9個（3、6、7、8、9、11、12、13、14），截面1 300 mm×1 300 mm；核心筒外墻角柱3個（15、25、21），邊柱4個（20、18、19、26），中柱5個（16、17、22、23、24），截面φ900 mm；內(nèi)筒中柱2個（27、28），如圖3所示。

塔2選擇外框角柱5個（29、30、33、34、36），截面1 400 mm×1 400 mm；外框中柱7個（31、32、35、37、38、39、41），截面1 400 mm×1 400 mm；核心筒外墻角柱4個（42、46、48、52），邊柱4個（51、47、44），中柱5個（43、45、49、50、53），截面φ900 mm；內(nèi)筒邊柱2個（54、57），中柱2個（55、56），如圖4所示。

圖3 塔1鋼管柱應(yīng)力測點布置

圖4 塔2鋼管柱應(yīng)力測點布置

1）塔1外框角柱與中柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果：經(jīng)數(shù)據(jù)整理，求平均值比較后，塔1外框角柱與中柱應(yīng)力表現(xiàn)為同調(diào)增長，外框角柱應(yīng)力小于中柱，差值為6 MPa左右，并隨著施工進行，應(yīng)力差值不斷減小（圖5）。

2）塔2外框角柱與中柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果：經(jīng)數(shù)據(jù)整理，求平均值比較后，塔2外框角柱與中柱應(yīng)力表現(xiàn)為同調(diào)增長，外框角柱應(yīng)力大于中柱，差值為20 MPa左右（圖6）。

圖5 塔1外框角柱與中柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

圖6 塔2外框角柱與中柱 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

比較塔1與塔2外框柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，可以看到外框角柱與中柱應(yīng)力均為同調(diào)增長，應(yīng)力差值穩(wěn)定。塔1外框角柱截面大于中柱，應(yīng)力值小于中柱；塔2外框角柱截面等同中柱，應(yīng)力值大于中柱。即在同截面條件下，外框角柱應(yīng)力大于中柱，增大角柱截面，可減小其應(yīng)力。

3）塔1內(nèi)筒中柱、邊柱、角柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果：經(jīng)數(shù)據(jù)整理，求取平均值比較后，塔1內(nèi)筒中柱、邊柱、角柱應(yīng)力表現(xiàn)為同調(diào)增長，中柱應(yīng)力大于邊柱應(yīng)力，差值在20 MPa內(nèi)，邊柱應(yīng)力大于角柱應(yīng)力，差值在10 MPa內(nèi)（圖7）。

4）塔2內(nèi)筒中柱、邊柱、角柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果：經(jīng)數(shù)據(jù)整理，求取平均值比較后，塔2內(nèi)筒中柱、邊柱、角柱應(yīng)力表現(xiàn)為同調(diào)增長，中柱應(yīng)力與邊柱應(yīng)力等同，中柱邊柱應(yīng)力大于角柱應(yīng)力，差值為10 MPa左右（圖8）。

綜上，內(nèi)筒中柱邊柱應(yīng)力大于角柱應(yīng)力、中柱、邊柱與角柱應(yīng)力差值在極小范圍內(nèi)波動。應(yīng)力差值產(chǎn)生于施工初期，隨后各鋼管柱應(yīng)力同步增長。

4 鋼管柱豎向位移監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖7 塔1核心筒角柱與中柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

圖8 塔2核心筒角柱與中柱 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

塔樓鋼管柱共選擇48組豎向位移監(jiān)測點。塔1外框選擇8個邊柱（1、14、12、11、8、7、5、4），6個中柱（13、10、9、6、3、2）；核心筒外墻選擇4個角柱（17、15、22、20），4個邊柱（24、21、19、16），2個中柱（23、18），具體如圖9所示。

塔2外框選擇8個邊柱（25、38、36、35、32、31、29、28），6個中柱（26、27、30、33、34、37）；核心筒外墻選擇4個角柱（39、41、44、46），4個邊柱（42、43、45、48），2個中柱（40、47），具體如圖10所示。

圖9 塔1鋼管柱位移監(jiān)測點布置

圖10 塔2鋼管柱位移監(jiān)測點布置

1）塔1內(nèi)筒與外框鋼管柱沉降監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。由圖中可知，塔1內(nèi)筒外筒沉降變化具有相同的曲線特征，內(nèi)外筒沉降差異值為5.691～8.451 mm，沉降差增量隨時間逐漸變小，沉降差最終趨于穩(wěn)定在9 mm范圍內(nèi)。

2）塔2內(nèi)筒與外框鋼管柱沉降監(jiān)測結(jié)果如圖12所示。由圖中可知，塔2內(nèi)筒外筒沉降變化具有相同的曲線特征，內(nèi)筒外筒沉降差值為6.211～8.592 mm，沉降差增量隨時間逐漸變小，沉降差最終趨于穩(wěn)定在9 mm范圍內(nèi)。

圖11 塔1內(nèi)筒與外框鋼管柱沉降監(jiān)測結(jié)果

圖12 塔2內(nèi)筒與外框鋼管柱 沉降監(jiān)測結(jié)果

3）塔樓內(nèi)筒與外框鋼管柱沉降速率：經(jīng)數(shù)據(jù)整理分析，塔樓鋼管柱沉降速率在逆作法完成前后，有著不同的表現(xiàn)。底板封閉前，沉降速率較大，底板封閉后，沉降速率明顯減小（圖13、圖14）。

圖13 塔1鋼管柱沉降增幅

圖14 塔2鋼管柱沉降增幅

如圖所見：塔1內(nèi)外筒鋼管柱沉降速率有著相同的規(guī)律。底板封閉前，沉降速率為0.7～1.2 mm/（期·層），底板施工養(yǎng)護期間，沉降速率下降，底板施工完成2個月后，沉降速率穩(wěn)定自0.2～0.4 mm/（期·層）。底板封閉后沉降速率約為底板封閉前1/3。

塔2內(nèi)外筒鋼管柱沉降速率有著相同的規(guī)律。底板封閉前，沉降速率為0.6～1.4 mm/（期·層），底板施工養(yǎng)護期間，沉降速率下降，底板施工完成2個月后，沉降速率穩(wěn)定自0.2～0.4 mm/（期·層）。底板封閉后沉降速率約為底板封閉前1/3。

4）塔樓內(nèi)筒與外框鋼管柱沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)：綜合塔1與塔2，雙塔樓內(nèi)外筒沉降變化具有相同的曲線特征，沉降量隨時間不斷增大，雙塔樓內(nèi)外筒沉降差異均在5～10 mm范圍內(nèi)，沉降差隨時間逐漸增加，增幅逐漸減小，最終沉降差異均在9 mm范圍內(nèi)。根據(jù)設(shè)計計算，預(yù)估沉降量為13 mm。工程實際沉降差異值與設(shè)計預(yù)估值較為接近，并略小于設(shè)計預(yù)估值。

內(nèi)外筒鋼管柱沉降速率有著相同的規(guī)律。底板封閉前，沉降速率為較大，底板施工養(yǎng)護期間，沉降速率下降，底板施工完成2個月后，沉降速率穩(wěn)定。底板封閉后沉降速率約為底板封閉前1/3。

5）塔樓外框角柱與中柱沉降差：經(jīng)數(shù)據(jù)整理，求平均值比較后，塔1外框角柱與中柱的沉降差異相近，外框角柱略微大于中柱，差異值接近1 mm（圖15）。經(jīng)數(shù)據(jù)整理，求平均值比較后，塔2外框角柱與中柱的沉降差異極為相近，角柱與中柱的沉降差異不超過0.7 mm（圖16）。

圖15 塔1外框角柱與中柱沉降差

圖16 塔2外框角柱與中柱沉降差

綜合塔1與塔2，塔樓外框角柱與中柱沉降基本相同，沉降差異極不明顯。

6）塔樓內(nèi)筒角柱與中柱沉降差：經(jīng)數(shù)據(jù)整理，求平均值比較后，塔1內(nèi)筒角柱、邊柱、中柱的沉降基本等同，差異值在±0.7 mm內(nèi)波動（圖17）。經(jīng)數(shù)據(jù)整理，求平均值比較后，塔2內(nèi)筒角柱、邊柱、中柱的沉降基本等同，差異值在±1.0 mm內(nèi)波動，可忽略不計（圖18）。

圖17 塔1內(nèi)筒角柱、邊柱、中柱沉降比較

18 塔2內(nèi)筒角柱、邊柱、中柱 沉降比較

綜上所述，逆作法一樁一柱采用入巖樁、樁身為高強混凝土并采用復(fù)式注漿工藝進行承載力增強后，塔樓外框角柱與中柱之間、核心筒角柱、邊柱、中柱之間不存在明顯差異。外框結(jié)構(gòu)、內(nèi)筒結(jié)構(gòu)分別作為一個整體，進行同步的整體沉降。

5 結(jié)語

根據(jù)上文討論，在超高層上下同步逆作法工程一樁一柱鋼管柱而言，存在以下規(guī)律[3,4]：

1）塔樓外框角柱與中柱應(yīng)力均為同調(diào)增長，應(yīng)力差值穩(wěn)定。

2）塔樓內(nèi)筒中柱、邊柱應(yīng)力大于角柱應(yīng)力，中柱、邊柱與角柱應(yīng)力差值在極小范圍內(nèi)波動。應(yīng)力差值產(chǎn)生于施工初期，隨后各鋼管柱應(yīng)力同步增長。

3）青奧雙塔樓內(nèi)外筒沉降變化具有相同的曲線特征，沉降量隨時間不斷增大，雙塔樓內(nèi)外筒沉降差異均在5～10 mm范圍內(nèi)，沉降差隨時間逐漸增加，增幅逐漸減小，最終沉降差異均在9 mm范圍內(nèi)。工程實際沉降差異值與設(shè)計預(yù)估值較為接近，并略小于設(shè)計預(yù)估值。

4）內(nèi)外筒鋼管柱沉降速率有著相同的規(guī)律。底板封閉前，沉降速率較大；底板施工養(yǎng)護期間，沉降速率下降；底板施工完成2個月后，沉降速率穩(wěn)定。底板封閉后沉降速率約為底板封閉前1/3。

5）逆作法一樁一柱采用入巖樁、樁身采用高強混凝土并采用復(fù)式注漿工藝進行承載力增強后，塔樓外框角柱與中柱之間、核心筒角柱、邊柱與中柱之間不存在明顯沉降差。外框結(jié)構(gòu)、內(nèi)筒結(jié)構(gòu)進行同步的整體沉降。