超高層框架-核心筒結構施工模擬分析

趙 陽 （華東建筑設計研究總院，上海 200002）

1 引言

超高層框架-核心筒結構的框架柱與核心筒的豎向應力水平差別較大，因此，框架柱與核心筒間存在著較大的豎向變形差[1]。混凝土自身存在收縮現象，而且在荷載作用下會發生徐變。而混凝土的收縮徐變對墻、柱的壓縮變形有很大的影響。因此對結構進行施工模擬時，應包括混凝土收縮和徐變變形。

因此，對于超高層框架-核心筒結構，應當分析框架與核心筒考慮彈性壓縮、收縮、徐變影響的豎向變形差，以避免這種變形差異帶來的不利影響。

2 工程概況

本工程為一幢超高層塔樓，共79層，5F～44F為辦公區，46F～61F為公寓式酒店，66F～78F為酒店；建筑高度（大屋面）為349.7m，塔冠頂高為417.7m；地下室4層，地下四層建筑標高-20.300m；地上總建筑面積為22.6萬m2。塔樓立面采用切削、收分的手法，形成對稱的幾何“鉆石”造型，各層平面輪廓均隨立面變化。建筑效果圖見圖1。

圖1 建筑效果圖

塔樓低區采用帶加強層的框架-核心筒混合結構體系，其中框架由鋼管混凝土直柱、斜柱和外周鋼框架梁組成；塔樓高區采用帶加強層的框架-支撐鋼結構體系，其中框架由鋼管混凝土柱、鋼柱和鋼框架梁組成。

3 施工模擬分析模型的建立

3.1 塔樓施工模擬及收縮徐變

塔樓結構主要屋面的高度為349.7m，整體結構施工過程較長，結構豎向構件在施工過程中的受力及變形狀態與彈性分析不同。同時，由于框架柱與核心筒應力水平的不同，在豎向作用下會產生不同的軸向壓縮量。核心筒、外框柱之間的不均勻變形對結構的影響應根據實際的施工方案進行專門研究。

本文采用MIDAS GEN V8.0對塔樓豎向荷載作用下（考慮收縮與徐變的影響）長期豎向變形進行計算分析，研究該結構長期豎向變形規律。

3.2 計算假定

①不考慮材料彈塑性性能，假定材料在彈性范圍內工作；不考慮結構核心筒墻內鋼骨與鋼筋的影響；材料彈性模量、泊松比按《混凝土結構設計規范》（GB50010）和《鋼結構設計規范》（GB50017）取用；

②將首層底板作為結構的嵌固端；

③不考慮壓型鋼板剛度影響，樓面簡化為混凝土截面一次成型；

④在施工模擬計算模型中，鋼管混凝土外框柱采用聯合截面進行模擬計算。

3.3 計算依據及計算理論

①收縮徐變按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JGJD62-2004）[3]計算。

②抗壓強度隨時間的變化按歐洲CEB-FIP規范[4]計算。

3.3.4 計算參數

MIDAS GEN V8.0軟件[5]主要計算參數如下：

①時間依存性材料（收縮和徐變）：《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JGJD62-2004）

收縮開始時的混凝土齡期：3d

環境相對濕度：70%

水泥種類系數：5（普通混凝土）

②時間依存性材料（抗壓強度）：CEB-FIP規范

水泥類型：N，R：0.25（普通水泥）

3.4 施工方案

施工模擬計算基于以下施工時間假定：

核心筒7天一層，外框架7天一層，五層為一個施工階段，同樓層的核心筒比對應的外框架提前一個施工階段，即核心筒開始第十層施工時，外框架開始第五層施工，依次類推。結構地面以上建設時間共為539天。

3.5 分析荷載及組合

在施工模擬計算中，綜合考慮了結構自重、施工階段恒荷載、施工階段活荷載，荷載組合系數均采用1.0。

4 豎向變形分析結果

基于上述假定，研究考慮彈性壓縮、收縮及徐變的外框柱與核心筒墻體之間的變形差異。考慮塔樓的對稱性，如圖2所示，選取四對觀測點進行對比分析。

圖2 塔樓徐變測點示意圖

首先對施工完成時，外框柱及核心筒墻肢的豎向變形進行了對比分析。由于施工完成兩年后，混凝土的收縮徐變基本穩定，因此還對比了構件在施工完成兩年后的豎向變形。

4.1 施工完成后外框柱豎向變形分析

下面分別給出了各樓層4根框架柱的豎向變形，由計算結果可知：

在施工完成時，彈性壓縮變形及混凝土的徐變幾乎組成了觀測點的軸向總變形，而收縮占總變形的比例相對較小。以中間樓層（52F）為例，彈性壓縮變形約為總變形的61%左右，而混凝土徐變約為總變形的28%。

考慮施工模擬影響，外框柱各樓層的總變形先是隨著樓層的增加而變大，在中間樓層處達到最大值，之后隨著樓層增加其變形減小。

圖3 施工完成后外框柱變形

4.2 施工完成后核心筒墻肢豎向變形分析

下面分別給出了各樓層4個觀測點處墻肢的豎向變形，由計算結果可知：

施工完成時，彈性壓縮變形及混凝土的徐變之和幾乎等于軸向總變形，收縮變形所占比例相對較小。以中間樓層（52F）為例，彈性壓縮變形約為總變形的49%左右，而徐變約為總變形的41%；

由各觀測點計算結果可知，核心筒墻肢隨樓層變化規律同外框柱相似。。

圖4 施工完成后墻體變形

4.3 施工完成兩年后外框柱豎向變形分析

圖5 施工完成兩年后外框柱變形

下面分別給出了各樓層4根框架柱的豎向變形，包括了彈性壓縮變形，以及混凝土的收縮和徐變。由計算結果可知：

與施工完成時相比，在施工完成兩年后，以中間樓層（52F）為例，總變形約增加了4%左右，變化很小。

施工完成兩年后外框柱總變形隨樓層變化規律同施工完成時相似。

4.4 施工完成兩年后核心筒墻肢豎向變形分析

下面分別給出了各樓層4個觀測點處墻肢的豎向變形，包括了彈性壓縮變形，以及混凝土的收縮和徐變。由計算結果可知：

與施工完成時相比，在施工完成兩年后，墻體總變形增加明顯，其中混凝土徐變變形增加比較顯著，而收縮變形也有所增加。以中間樓層（52F）為例，總變形約增加了19%，彈性壓縮變形約為總變形的41%，而徐變約為總變形的44%，收縮約為15%；

施工完成兩年后核心筒墻肢總變形隨樓層變化規律同施工完成時相似。

圖6 施工完成兩年后墻體變形

4.5 施工模擬外框柱與核心筒墻體位移差分析

下面分別給出了各樓層4個觀測點處外框柱與核心筒墻肢的豎向總位移差，由圖表可知：

圖7 各觀測點外框柱與核心筒墻體總位移差

與施工完成時相比，在施工完成兩年后，外框柱與核心筒墻肢的豎向總位移差增大，且總體上，隨樓層增高，位移差增大。

5 結語

本文以一棟超高層塔樓為工程背景，著重分析與研究了超高層建筑在豎向重力荷載作用下，框架柱與核心筒墻體之間的變形差異問題，得到了以下結論：

①在施工完成時，框架、核心筒墻體的豎向變形均以彈性壓縮變形及混凝土的徐變為主，收縮變形所占比例相對較小；

②在施工完成兩年后，框架與施工完成時相比，豎向總變形變化很小；核心筒墻體總變形增加明顯，其中混凝土徐變變形增加比較顯著，而收縮變形也有所增加。

③在施工完成時、施工完成兩年后，框架、核心筒墻體的總變形隨樓層變化規律是相似的，各樓層的總變形先是隨著樓層的增加而變大，在中間樓層處達到最大值，之后隨著樓層增加其變形值減小。

④與施工完成時相比，在施工完成兩年后，外框柱與核心筒墻肢的豎向總位移差增大，且總體上，隨樓層增高，位移差增大。