多場耦合環境下的垂直運輸設備對超高層建筑建造安全的力學研究

李 兵 夏 飛 李鑫奎 高振鋒 伍小平

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

上海中心大廈位于上海陸家嘴金融貿易區，總用地面積30 368 m2，總建筑面積574 058 m2。主體建筑結構高度為580 m，總高度632 m。其塔樓為“巨型框架-核心筒-外伸臂”抗側力體系，在8個加強區域布置6道2層高外伸臂桁架和8道箱形空間桁架，箱形空間桁架和12根巨型柱（8根巨柱，4根角柱）形成外圍巨型框架，內部核心筒為內埋型鋼或鋼板，外包鋼筋混凝土結構；塔樓上部樓面體系為鋼梁（或鋼桁架）支承組合樓板體系（圖1）。

圖1 上海中心大廈主要結構組成形式

2 臺風荷載下的結構力學研究

2.1 計算目的

在結構自重、臺風荷載、施工荷載共同耦合作用下，上海中心大廈施工階段的受力狀態與建造完成后狀態其實并不完全保持一致。為了確保施工期間結構的安全性，必須評估結構施工階段的性能。尤其是每年7—9月，上海地區均會受到多次不同級別臺風的影響，而超高層建筑此時并沒有完工，很多垂直運輸設備均未拆卸，例如重型塔吊、鋼平臺、施工電梯等，通常都是外掛或安裝在結構主體上的，尤其以塔吊附著對結構影響為大，且可能出現多臺塔吊共同作用。這樣一來，在臺風荷載等共同耦合作用下，垂直運輸設備的安全及對結構造成的受力安全自然備受關注，對其理論研究就顯得非常重要[1-4]。

本研究采用有限元方法，對上海中心大廈施工過程中，4臺重型塔吊在不同級別臺風荷載作用下，對建筑結構主體受力的影響程度開展了有限元仿真模擬，并計算對比不同級別臺風荷載作用下主體結構的應力、變形等參數，以評估建筑結構在臺風季施工時的安全性。

2.2 塔吊概況

在上海中心大廈主體結構層施工過程中，在核心筒四周共安裝4臺塔吊，其中北側為1臺ZSL2700型塔吊，其余三側各安裝1臺M1280型塔吊；隨著施工高度的遞增，塔吊也隨之調整及重設，直至施工頂層，逐漸拆除，最終完成施工。塔吊布置情況如圖2所示。

圖2 塔吊布置及安裝示意

塔吊所承受的荷載考慮塔吊的工作狀態和非工作狀態進行設置。其中工作狀態有多種情況，本次計算僅選擇一種最不利工況（工作狀態下，6級風作用時，受塔吊荷載作用，塔吊下部扶墻水平荷載呈順時針方向，上部扶墻荷載呈逆時針方向；非工作狀態為10級風作用時塔吊的受荷參數）進行計算分析，如圖3所示。

1）工作狀態：M1280塔吊自重4 070 kN，吊重500 kN，水平荷載不同方向取值也不同，分別為1 250 kN或1150 kN，扭矩550 kN·m；ZSL2700塔吊自重3 990 kN，吊重500 kN，水平荷載不同方向取值也不同，分別為1 680 kN或1 550 kN，扭矩900 kN·m。

2）非工作狀態：M1280塔吊自重4 070 kN，吊重0 kN，水平荷載不同方向取值也不同，分別為1 750 kN或1 260 kN，扭矩460 kN·m；ZSL2700塔吊自重3 990 kN，吊重0 kN，水平荷載不同方向取值也不同，分別為1 480 kN或1 030 kN，扭矩1 380 kN·m。

圖3 塔吊工作及非工作狀態加載示意

2.3 計算假定

1）未進行分階段施工仿真分析，而是取相應施工階段分析，并假定結構在彈性范圍內工作。

2）未考慮基礎對上部結構的彈性約束作用，把地面（地下室頂層）作為上部結構的嵌固端。

3）材料彈性模量、泊松比按GB 50010—2010混《凝土結構設計規范》或GB 50017—2003《鋼結構設計規范》取用，不考慮混凝土材料收縮函數、徐變函數。

4）未考慮結構核心筒墻內鋼骨與鋼筋的影響，結構的巨柱采用鋼骨與混凝土組合截面，結構樓面為壓型鋼板與混凝土組合截面。

2.4 材料參數及臺風荷載取值

1）材料參數設置：巨柱型鋼及伸臂桁架結構均為Q345鋼材；巨型柱外包的混凝土強度等級根據不同高度使用也不同，1區～3區、4區～6區、7區～8區，依次為C70、C60、C50；樓面組合板混凝土采用C35；核心筒混凝土采用C60。

2）風荷載參照《建筑結構荷載規范》，沿海地區臺風登陸期間，在建項目塔吊通常處于非工作狀態，塔吊非工作狀態荷載與風荷載取1.0耦合系數。6級風時按離地高度10 m處風速12 m/s、500 m以上風速約為26 m/s考慮，基本風壓約為0.09 kN/m2；10級風時按離地高度10 m處風速25.3 m/s、500 m以上風速44.7 m/s考慮，基本風壓約為0.4 kN/m2；幕墻區域結構體型系數取0.91，按迎風面寬度計算的線荷載施加在結構上；幕墻區域以外按荷載規范計算的風荷載值施加到結構上，風荷載體型系數迎風面取0.8，背風面取－0.5。鋼平臺荷載考慮800 t的豎向載荷，并考慮整個結構的自重荷載。

2.5 三維模型建立

采用Midas Gen8.35有限元軟件對上海中心大廈結構進行建模（此時施工進度：核心筒施工至125層，外圍鋼框架施工至115層，混凝土施工至98層，幕墻施工至5區）。三維有限元模型如圖4所示，單元屬性按梁、板單元設置，塔吊荷載以集中力對應施加。

2.6 計算分析

圖4 上海中心大廈三維有限元局部模型

按照上海地區每年臺風季，對塔吊、風場、結構施工等最不利工況進行計算分析，此時結構處于較危險施工階 段，按照塔吊工作及非工作狀態設置相關計算工況，計算結果如圖5～圖8所示。

圖5 危險工況下整體結構水平變形

圖6 考慮塔吊荷載時的層間位移角

圖7 核心筒底部及頂部區域應力云圖

由圖5可知，在該危險工況下，最大變形出現在結構頂部，且變形增長速率隨高度增加而增加。塔吊不工作狀態10級風時整體水平變形最大，最大變形445 mm，小于相關規范限值H/1 000=514 mm（H為建筑高度）。

圖8 核心筒連梁應力云圖

由圖6可知，在該危險工況下，塔吊不工作狀態10級風時整體層間位移角最大，其最大層間位移角1/378略超相關規范中1/500的層間位移角限值。如發生10級以上臺風登陸上海，需提前采取加固措施，以確保結構安全。

由圖7可知，該危險工況下，考慮塔吊的工作狀態，在臺風影響下對核心筒底部區域結構的最大應力值 為－17.6 MPa，對核心筒頂部區域結構的最大應力值 為－13.8 MPa。

由圖8可知，該危險工況下，考慮塔吊工作狀態，在臺風影響下的連梁組合應力最大值為18.5 MPa。如果采用核心筒加固措施，即在核心筒大開口翼墻處加設八字撐，因八字撐傳遞了部分內力，并增大了翼墻間內力傳遞的面積，會有利于連梁傳遞內力變小，繼而也會進一步導致應力降低，從而使得包含核心筒在內的整體結構的抗扭、抗彎能力增加很多。

3 結語

根據計算結果可以發現，整體結構及局部構件對應的應力值均在強度范圍內，但塔吊在不工作狀態下如遇10級臺風時，整體層間位移角偏大。因此，在日后類似工程中，如遇較大等級臺風襲擊時，在超高層建筑施工過程中，建議加強連接件的剛度，將會增加包含核心筒在內的整體結構的抗扭、抗彎能力，繼而增加結構安全冗余度。