大型地下室核心結構體系轉換過程中的仿真分析與施工監測*

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1 工程概況

某超高層建筑位于大連市中山區，東北側緊鄰繁忙的市區道路，南側有在建地鐵站房（暗挖法施工），其余周邊場地內均為已建或在建超高層建筑，見圖1。地下室占地面積約8 500 m2，地下5 層。在結構施工至地下1層頂板處時，設計方案更改，由原設計結構主體高340 m、地上78 層，地下5 層，變更為結構高度370 m、地上85 層、地下7 層。

圖1 設計變更前已建地下室現狀

本工程主體為鋼筋混凝土核心筒與型鋼混凝土柱外框架組成的混合結構體系，設計變更后需將已建核心筒和巨柱拆除，再按新的設計方案重新建造。由于工程周邊環境復雜，設計變更施工風險大，變形控制要求高。本文以南面巨柱拆除為對象，對巨柱拆除過程中的各工況進行數值模擬分析，指導施工過程，通過巨柱拆除過程的實時監測結果與有限元模擬結果對比分析，保證整個核心結構拆除過程安全可控[1-3]。

2 施工方案

按施工方案要求，先增加南側地下室外墻斜撐，拆除原有核心筒，待新建核心筒混凝土強度滿足要求后，設置新核心筒與地下室外墻水平臨時支撐，再拆除南側巨柱，施工流程見圖2。

圖2 施工流程示意

設置水平臨時支撐是為確保地下室外墻的穩定，防止地下室發生坍塌事故[4,5]。根據核心筒拆除時的計算和監測結果，結合現場實際情況，地下室南側B5～B3層每層設置8根臨時支撐，B2層設置4 根臨時支撐。臨時支撐采用Q345鋼管，φ609 mm，厚16 mm。

3 工程特點與難點

1）工程場地周邊環境復雜，緊鄰正在施工的地鐵車站，地下室側墻距離最為繁忙的市區道路僅有2 m，西側為一幢超高層建筑，施工變形控制要求高。

2）核心結構拆除過程是地下室外墻力系轉換過程，原由巨柱承擔的側向力需轉換由新建核心筒承擔，整個施工過程情況復雜，施工難度大，危險性高。

4 數值模擬

采用有限元分析軟件MIDAS/GEN建立核心結構拆除過程整體結構的有限元模型，如圖3所示。

圖3 有限元整體模型

4.1 建模原則

1）核心筒墻體和地下室外墻采用厚板單元模擬，樓板采用板單元模擬，型鋼混凝土柱采用組合截面梁單元模擬；

2）忽略地下室底板作用，柱和核心筒底部均采用固結；

3）忽略次要構件及洞口影響。

4.2 荷載及分項系數取值

地下室側墻承受的土壓力取靜止土壓力，靜止側壓力系數K0取0.5，僅考慮自重和土壓力作用，荷載組合分項系數均取1.0。

4.3 施工過程分析

已建結構數值分析表明，巨柱為承擔側向土壓力主要構件，核心筒對承擔土壓力貢獻較小，為此，僅考慮新核心筒完成后的施工過程，主要分兩大施工階段：

1）從B5～B2層分別設置水平臨時支撐， B5層鋼管每根設400 kN預頂力，B4～B2層鋼管每根設300 kN預頂力。

2）從B1～B6層依次拆除巨柱和相應樓面板。由于拆除B4～B6層巨柱施工風險最大，此時增加監測頻率。

工況一：鋼支撐預頂力加載完成；

工況二：拆除B1～B3層巨柱；

工況三：拆除B4層巨柱；

工況四：拆除B5層巨柱；

工況五：拆除B6層巨柱。

4.4 計算結果與分析

B3～B5層各臨時水平支撐的軸向應力累積增量計算值如圖4～圖6所示。

圖4 B3層測點軸向應力累積增量計算值

圖5 B4層測點軸向應力累積增量計算值

圖6 B5層測點軸向應力增量計算值

從數值模擬的計算結果可以看到，B1～B6層的巨柱拆除過程中，臨時支撐應力累積增量在30 MPa以內，應力增長趨勢較平緩，未出現應力超限及應力突變較大的情況，此施工方案對地下室結構整體及水平支撐是安全的。

5 應力和變形監測

5.1 測點布置原則

1）施工過程中的危險部位，對應力和變形絕對值和變化值較大的構件布置測點進行監控；

2）施工過程中主要受力構件進行應力和變形監控；

3）根據現場情況適當調整，選取布置方便、容易保護的部位布置測點；

4）盡量避開復雜受力的部位。

5.2 測點布置

1）應力測點布置在水平臨時支撐上，每層8 個測點，從B3～B5層共24 個測點，如圖7所示。

2）位移測點布置在地下室外墻內側的樓板上，如圖8所示，圖中黑點表示測點位置，每層6 個測點，從B1～B6層共36 個測點。

圖7 臨時支撐應力測點布置

圖8 樓面位移測點布置

5.3 實測結果

5.3.1 應力監測結果

B3層和B5層各測點軸向應力累積增量見圖9、圖10。

圖9 B3層測點軸向應力累積增量實測值

圖10 B5層測點軸向應力累積增量實測值

5.3.2 變形監測結果

B4層和B6層各測點Y向位移實測值見圖11、圖12。

5.4 實測結果小結

從實測結果可以看到，巨柱在拆除過程中的臨時支撐應力累積增量基本在30 MPa以內，個別點應力增量為33 MPa，未出現應力超限及應力突變較大的情況。樓面測點位移變化均勻，每層拆除過程中也未超過單層拆除結構安全報警值（5 mm），這表明巨柱拆除過程中結構處于可控狀態，結構整體狀態在控制預期范圍內。

圖11 B4層測點Y向位移實測值

圖12 B6層測點Y向位移實測值

6 實測結果與有限元模擬結果對比

為方便結果對比，選取有代表性監測點的實測值與模擬值進行對比，監測點位置如圖7和圖8所示。

6.1 實測結果與計算結果對比

6.1.1 應力對比

B3層和B5層各取2 個測點進行軸向應力累積增量對比，如圖13～圖16所示。

圖13 B3層測點3應力實測值與計算值

圖14 B3層測點5應力實測值與計算值

圖15 B5層測點3應力實測值與計算值

圖16 B5層測點5應力實測值與計算值

6.1.2 位移對比

B4層和B6層各取2 個測點進行Y向位移對比，如圖17～圖20所示。

圖17 B4層測點B位移實測值與計算值

圖18 B4層測點C位移實測值與計算值

圖19 B6層測點B位移實測值與計算值

圖20 B6層測點C位移實測值與計算值

6.2 小結

從實測值與計算值的對比可知，背景工程變形、應力的實測值與理論計算值吻合較好，結構體系轉換較好地符合了方案預期，采用全過程有限元模擬仿真分析比較，正確地反映了巨柱拆除過程中結構主體和臨時支撐的受力變化，保證了施工的順利實施。

7 結語

采用加設水平臨時支撐的方法對地下室外墻進行結構體系轉換施工，通過仿真分析模擬施工全過程，為結構力系轉換提供了理論支撐，再通過有限元模擬結果和現場實時監測數據的對比，驗證有限元模擬的準確性并對下一步施工提供預測[6-8]。

本工程通過仿真分析模擬結構體系轉換施工和現場實時監測，有效地完成了結構地下室核心結構拆除過程中臨時支撐荷載轉換，確保施工過程安全可控，保證了結構安全和整個施工過程的順利進行，為日后同類工程施工提供了參考。