某超高層結構施工模擬分析

孫鋒

引言

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）錯誤！未找到引用源。第11.3.3條要求，進行豎向荷載作用計算時，宜考慮外圍框架柱與鋼筋混凝土核心筒豎向變形差異引起的結構附加內力，同時計算豎向變形差時宜考慮混凝土收縮、徐變、沉降及施工調整等因素的影響，特別是混凝土的長期效應（收縮徐變效應），會使整個結構的內力和變形隨時間的推移而不斷變化。在超高層建筑結構中，外框柱與核心筒的豎向變形差異比較大，次內力的影響比較明顯明顯，這種現象稱為超高層建筑結構的差異變形效應[2]。

目前常規的結構設計方法并未考慮混凝土長期效應的影響，整個結構的荷載條件，支座的約束條件，材料參數等都隨施工進程而改變，結構完成后的內力和變形也是各個施工步疊加后的結果[3]。

本文結合某超高層項目，對各施工階段外圍框架柱與鋼筋混凝土核心筒之間的豎向差異變形進行分析研究，同時考慮水平構件的不同施工方案整體結構帶來的影響。本項目采用了腰桁架和外伸臂桁架，對其次內力的分析也是重點。

1..工程概況

本項目建筑總高333米，混凝土屋面高度為329.4米，地上61層，地下4層。基地總面積約為1萬平方米，地上建筑面積約為10萬平方米，地下建筑面積約為3.57萬平方米。

該項目采用型鋼混凝土框架-伸臂-核心筒結構體系（如圖2.1）。型鋼混凝土柱底部最大截面尺寸為2400mm×2400mm。在第15層、29層、43層和57層共設置了四道伸臂桁架。伸臂桁架將外圍型鋼混凝土框架柱與鋼筋混凝土核心筒連成一體，既有效約束了核心筒的彎曲變形，又高效利用了周邊型鋼混凝土框架柱來減少結構的整體變形、豎向差異變形以及不均勻沉降。腰桁架設置在第29層、43層和57層，是抗側力體系外框架的一部分。

核心筒平面形狀沿高度根據建筑平面功能作相應調整，底部平面為23m×19.4m，至32層內收為19.4m×19.4m，底部加強區核心筒外墻厚1100mm。

由于本項目建筑高度達333m，水平構件數量較多，因此有必要對其進行施工全過程模擬，分析豎向差異變形對結構帶來的影響。

2.分析方法

2.1水平構件連接方案

本項目的結構設計中，主要水平構件有伸臂桁架和腰桁架。由于豎向構件的差異變形會在水平構件中產生次內力，而此次內力的產生又和水平構件施工方案的制定息息有關。由于篇幅限制，本文僅分析了不同施工方案下結構豎向差異變形效應對伸臂桁架內力的影響。

根據以往工程經驗，外框架和核心筒之間的豎向差異變形與伸臂桁架連接的時間點有關，伸臂桁架連接越早，兩者的差異變形越大，次內力亦增大，反之則相反[2]。

本工程在分析時伸臂桁架時考慮兩種施工方案：

（1）施工方案一：伸臂桁架在結構封頂時一次性連接;

（2）施工方案二：伸臂桁架隨樓層同步施工。

2.2.混凝土分析模型

本文以CEB-FIP（90）模型為基礎，根據Bazant的研究成果，采用AEMM法（按齡期調整的有效模量法）對混凝土徐變進行模擬計算。在所有計算混凝土徐變的簡化方法中，AEMM法較為完善，通過定義老化系數，充分考慮了混凝土老化對最終徐變值的影響，彌補了傳統有效模量法未考慮材料老化的不足，適用于高精度的計算分析[4]。

2.3施工模擬分析

2.3.1施工過程模擬

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）的建議，超高層結構在進行重力荷載作用效應分析時宜考慮施工過程的影響，但對施工階段活荷載的取值并未明確規定。參考以往工程案例，施工階段結構承擔的荷載為自重加40%的設計活荷載，并以此作為施工模擬分析的初始工況。

施工方案：①施工速度：7天/層;②框架與核心筒同步施工;③整個施工過程分為24個施工階段，層57以下每個施工步層數為3層，層57以上至頂層每個施工步層數為2層;主體完工預計為480d。

利用通用有限元軟件ETABS的施工順序加載分析功能，按上述施工方案加載得到各個時間段上豎向構件的內力值。再結合混凝土收縮徐變預測模型（AEMM法）計算得到各個時間段上的豎向變形值。

3.分析結果

3.1外圍框架柱與核心筒間豎向變形差異

在上述原理和施工方案的基礎上，本項目分析計算了結構外框架及核心筒剪力墻在結構封頂時、結構封頂半年、結構封頂一年以及結構封頂三年時刻豎向變形和差異。

墻柱豎向變形及差異往往因施工加載順序不同、豎向構件壓應力差異、混凝土收縮徐變（包括齡期影響）等因素的影響而呈現出差異性，同時，實際工程中后期結構平面布置的調整、建筑使用功能的改變（荷載不同）等都會影響到計算結果的最終值。圖3.1.1、3.1.2直觀地表現了結構封頂時考慮施工調整與否對結構豎向變形（差）的影響。

3.2伸臂桁架

本文對伸臂桁架的兩種施工方案進行了模擬分析，同時考察了伸臂桁架斜桿在結構封頂、封頂后一年和三年時刻因豎向差異變形效應引起的次內力變化情況，分析結果如表3.2.1-3.2.2所示。

分析結果表明，框架柱和核心筒的豎向變形隨時間發展而增大，豎向差異變形也隨之發生改變。對于施工方案一，結構封頂后一年到結構封頂后三年，伸臂腹桿最大應力比水平很低且變化很小。與施工方案一相比，施工方案二各伸臂桁架的連接時間較早，因此豎向差異變形對次內力的影響更大，致使伸臂斜桿應力比遠大于施工方案一，但應力比變化很小，究其原因是：施工完成后外框柱與核心筒收縮徐變速率基本處于同一水平。

從上述分析結果可知，伸臂桁架連接越遲對結構的不利影響越小。但伸臂桁架連接過于滯后會對施工階段結構的整體穩定性產生不利影響。因此，實際施工過程中應綜合考慮伸臂桁架各種連接方案對結構帶來的影響，從中選取最優方案。

3.3腰桁架

本項目結構在29層、43層和57層設置了三道腰桁架，由于外框柱間的豎向差異變形，在腰桁架中也會產生次內力。表3.3.1列出了腰桁架斜桿最大應力比。

由于各柱軸壓比接近，各柱間差異變形較小，腰桁架斜桿應力比較小。從表中發現，方案一下各道腰桁架斜桿最大應力比均比方案二大，原因是伸臂桁架連接早對減小各柱間的差異變形有利。因此，在選取伸臂桁架連接方案時，應注意對腰桁架應力比影響。

4.結論

（1）超高層結構的豎向變形及差異分析必須考慮施工調整，從而補償本層和之前已經產生的豎向變形這一實際情況。

（2）隨著時間的推移，結構的豎向差異變形逐漸擴大，次內力亦隨之增大。結構平面布置和荷載取值及分布的變化也會使不同位置外框柱與核心筒的豎向變形存在差別。本工程由于結構布置比較對稱，核心筒墻豎向變形較均勻;外框柱豎向變形也較一致，角柱相對于邊柱而言豎向變形稍小些;又由于外框柱與核心筒軸壓比比較接近，兩者之間的豎向變形差異較小。核心筒與外框柱的豎向變形量及豎向變形差的最大值發生在結構中部或中上部。

（3）伸臂桁架連接越晚產生的次內力越小，但結構整體穩定性的問題會更加突出。本項目風荷載控制，因此需要綜合考慮并確定伸臂的連接方案。

（4）由于框架柱間差異變形較小，與伸臂桁架相比，差異變形效應在腰桁架中產生的次內力較小。

參考文獻

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2342501186391