某超高層建筑施工過(guò)程豎向變形分析

韓萬(wàn)鑫 李鴻晶 伍小平 李鑫奎

1. 南京工業(yè)大學(xué) 江蘇 南京 211816；2. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中處于時(shí)變狀態(tài)，其材料、形狀、荷載以及邊界條件都隨施工階段的發(fā)展產(chǎn)生變化[1]，結(jié)構(gòu)封頂時(shí)產(chǎn)生的豎向變形是隨時(shí)間不斷累積的結(jié)果。隨著超高層建筑高度的不斷增加，過(guò)大的豎向變形會(huì)給幕墻、管道、電梯等后續(xù)施工帶來(lái)不利影響。因此，豎向變形問(wèn)題在超高層結(jié)構(gòu)施工中需要重點(diǎn)考慮，能夠準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的豎向變形狀況對(duì)結(jié)構(gòu)施工十分關(guān)鍵。目前，已有多位學(xué)者對(duì)超高層結(jié)構(gòu)豎向變形進(jìn)行了研究[2]。王曉蓓等[3]對(duì)上海中心大廈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期豎向變形分析，分別選用了CEB、PCA以及ACI規(guī)范中對(duì)混凝土材料特性的定義對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，最終計(jì)算得到結(jié)構(gòu)封頂時(shí)核心筒豎向變形最大值為70 mm，框架柱豎向變形最大值為57 mm。超高層結(jié)構(gòu)的豎向變形主要由3部分構(gòu)成，分別是彈性變形、收縮變形以及徐變變形。張莉莉等[4]對(duì)西安金融中心進(jìn)行施工豎向變形分析研究，其結(jié)果表明在考慮混凝土收縮徐變以及逐層找平的情況下，封頂時(shí)結(jié)構(gòu)豎向變形中的收縮徐變部分占比達(dá)到了47.33%～58.59%，各部分占比由大到小分別為彈性變形、徐變變形、收縮變形。此外，對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系而言，不同豎向構(gòu)件的材料特性不同，截面尺寸不同，承擔(dān)的豎向荷載不同，導(dǎo)致框架柱和核心筒之間出現(xiàn)豎向變形差異的情況。范峰等[5]使用ANSYS軟件對(duì)上海環(huán)球金融中心進(jìn)行施工過(guò)程模擬，共劃分了34個(gè)施工階段，其結(jié)果表明框架柱與核心筒的豎向差異變形最大值出現(xiàn)在第28施工階段中的53層，達(dá)到了11.91 mm，在結(jié)構(gòu)封頂時(shí)，框筒豎向差異變形在29層達(dá)到最大，為4.27 mm。

因此，為了解某超高層建筑在施工過(guò)程中的豎向變形發(fā)展情況，使用有限元軟件MIDAS GEN針對(duì)不同的施工方案，進(jìn)行塔樓結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程模擬，獲取結(jié)構(gòu)的豎向變形數(shù)據(jù)，分析其豎向變形規(guī)律。

1 工程概況

某超高層建筑地上結(jié)構(gòu)共59層，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.5 m，整體結(jié)構(gòu)高度為298 m（圖1）。塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，在10層及40層設(shè)置環(huán)帶桁架，以型鋼混凝土框架柱和鋼筋混凝土核心筒共同組成主體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)體系，并作為承重構(gòu)件傳遞豎向荷載[6]。塔樓按樓層共劃分6個(gè)區(qū)段，其中一區(qū)（3—9層）型鋼混凝土框架柱尺寸為3.4 m×1.9 m，從二區(qū)開(kāi)始分叉成2根框架柱，尺寸由1.9 m×1.7 m不斷減小，至六區(qū)（52—59層）時(shí)為1.0 m×1.0 m，核心筒墻厚也由底層的1.0 m逐漸縮小為0.4 m。

圖1 建設(shè)中的塔樓

2 計(jì)算模型

本文使用MIDAS GEN建立塔樓上部結(jié)構(gòu)模型（圖2），對(duì)其進(jìn)行施工過(guò)程模擬，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)豎向變形分析時(shí)不考慮地下結(jié)構(gòu)的影響，因此，在模型1層底部設(shè)置固端約束。在結(jié)構(gòu)模型中，梁柱結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，核心筒結(jié)構(gòu)采用墻單元模擬，樓板結(jié)構(gòu)采用板單元模擬。其中，豎向構(gòu)件主要尺寸以及材料強(qiáng)度等級(jí)如表1所示。

圖2 塔樓模型

表1 豎向構(gòu)件主要尺寸及材料強(qiáng)度等級(jí)

2.1 荷載及進(jìn)度計(jì)劃

塔樓模型按照實(shí)際施工進(jìn)度計(jì)劃將施工過(guò)程共劃分為23個(gè)階段，并采取外框架落后核心筒10層施工，樓板落后外圍框架6層施工，標(biāo)準(zhǔn)層施工周期為5 d，結(jié)構(gòu)施工周期約為500 d。塔樓施工過(guò)程的數(shù)值模擬考慮以下荷載情況：結(jié)構(gòu)自重、收縮、徐變。所有荷載均參照施工進(jìn)度施加。

2.2 混凝土收縮徐變模型

模型中所采用的材料強(qiáng)度等級(jí)及截面完全參照設(shè)計(jì)圖紙。同時(shí)，參考CEB-FIP規(guī)范考慮混凝土的強(qiáng)度發(fā)展和收縮徐變作用，以達(dá)到較高的精度[7]。CEB-FIP1990模型中關(guān)于混凝土徐變效應(yīng)的計(jì)算表達(dá)式如式（1）所示。

式中：Eci——材齡28 d時(shí)混凝土的彈性模量；

3 數(shù)值模擬結(jié)果

為了解塔樓豎向變形在施工過(guò)程中的發(fā)展情況，本文考慮不同因素影響，建立了3個(gè)施工模擬方案，并對(duì)各方案的豎向變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。具體方案如表2所示。

表2 施工模擬方案

3.1 不同模擬方案下的豎向變形對(duì)比

框架柱與核心筒在模型中的提取點(diǎn)如圖3所示，分別提取核心筒剪力墻點(diǎn)位A與框架柱點(diǎn)位B在結(jié)構(gòu)封頂時(shí)的計(jì)算結(jié)果，3種施工模擬方案下的框架柱及核心筒豎向變形情況分別如圖4和圖5所示。方案1中，框架柱豎向變形值最大達(dá)62.53 mm，核心筒的豎向變形值最大達(dá)60.61 mm；方案2中，框架柱豎向變形值最大達(dá)28.66 mm，核心筒的豎向變形值最大達(dá)26.49 mm；方案3中，框架柱豎向變形值最大達(dá)66.58 mm，核心筒的豎向變形值最大達(dá)57.82 mm。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

圖4 框架柱豎向變形

圖5 核心筒豎向變形

由圖4和圖5可看出：不同施工模擬方案下，同一結(jié)構(gòu)的豎向變形趨勢(shì)不同；在同一施工模擬方案下，核心筒的豎向變形與框架柱的豎向變形發(fā)展趨勢(shì)相同。方案1中框架柱和核心筒的豎向變形隨高度的增加逐漸增大，兩者的豎向變形最大值均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂層，其原因是方案1考慮的情況是結(jié)構(gòu)一次成形，荷載一次性加載，施工過(guò)程以及混凝土收縮徐變未被考慮，豎向變形只由恒荷載作用下的壓縮變形產(chǎn)生。因此，結(jié)構(gòu)的豎向變形會(huì)隨樓層不斷積累，在頂部達(dá)到最大。方案2和方案3中，框架柱與核心筒的豎向變形曲線出現(xiàn)兩頭小中間大的情況，框架柱的最大豎向變形出現(xiàn)在36層左右，核心筒的最大豎向變形出現(xiàn)在40層左右，其原因是這2種方案考慮了施工找平的影響，使每一施工階段的初始標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高一致，前一施工階段中產(chǎn)生的豎向變形已通過(guò)找平消除，結(jié)構(gòu)的豎向變形由后續(xù)施工階段中上部樓層自重以及收縮徐變產(chǎn)生，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的豎向變形曲線呈兩頭小中間大的情況。

由計(jì)算結(jié)果可知，一次性加載情況下豎向變形規(guī)律及變形值與考慮施工過(guò)程的情況相比有較大區(qū)別，不能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際變化，因此必須考慮施工過(guò)程的影響。

3.2 收縮徐變對(duì)豎向變形的影響

由圖4和圖5可看出，方案3在考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)后，相比方案2，結(jié)構(gòu)豎向變形有明顯增大，為準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的豎向變形，在進(jìn)行施工過(guò)程模擬時(shí)必須考慮收縮徐變對(duì)豎向變形的影響。在方案3的情況下，結(jié)構(gòu)各層豎向變形由彈性、收縮以及徐變3部分共同組成。圖6與圖7分別為框架柱與核心筒豎向變形以及各組成部分的比例情況，從圖中可以看出無(wú)論是核心筒還是框架柱，在豎向變形中彈性變形所占比例最大，徐變變形次之，收縮變形占比最小。在結(jié)構(gòu)封頂時(shí)，以36層為例，在核心筒的豎向變形中，收縮變形約占13.68%，徐變變形約占41.10%，彈性變形約占45.22%；在框架柱的豎向變形中收縮變形約占10.10%，徐變變形約占34.17%，彈性變形約占55.73%。可以看出，在結(jié)構(gòu)封頂時(shí)，無(wú)論是核心筒還是框架柱，收縮和徐變變形占總計(jì)變形的一半左右。同時(shí)，核心筒收縮徐變比例高于框架柱，這是由兩者不同的截面特性、材料特性、承擔(dān)荷載共同導(dǎo)致的，并因此產(chǎn)生豎向差異變形。

圖6 框架柱豎向變形

圖7 核心筒豎向變形

3.3 核心筒與巨柱豎向差異變形

從上述豎向變形情況可以看出，收縮徐變?cè)诮Y(jié)構(gòu)豎向變形中占有較大比例，在進(jìn)行施工過(guò)程模擬時(shí)，必須充分考慮施工找平以及混凝土的收縮徐變作用。此處選取方案3情況下所得到的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖8給出了核心筒與框架柱豎向差異變形的結(jié)果，可以看出：在方案3的情況下，結(jié)構(gòu)封頂時(shí)，下部結(jié)構(gòu)中核心筒豎向變形大于框架柱，差異變形在11層達(dá)到8.57 mm；到中部樓層時(shí)，框架柱的豎向變形開(kāi)始逐漸大于核心筒，差異變形在27層達(dá)到9.97 mm；隨后差異變形逐漸縮小，到頂部時(shí)核心筒豎向變形超過(guò)框架柱，差異變形達(dá)到10.93 mm。

圖8 框筒豎向差異變形

由于核心筒超前施工，其收縮徐變發(fā)展早于外框架，故下部樓層會(huì)出現(xiàn)框架柱豎向變形小于核心筒豎向變形的情況。而在中部樓層，外框架和核心筒除承擔(dān)自重外還承擔(dān)樓板等其他恒荷載，且外框柱承擔(dān)的恒荷載比例更大，由其產(chǎn)生的豎向變形超過(guò)了核心筒。最后，上部結(jié)構(gòu)隨著樓層不斷增加，雖然有施工找平等措施控制結(jié)構(gòu)標(biāo)高，但收縮徐變隨時(shí)間不斷發(fā)展，其占豎向變形的比例變大，且材料和截面特性決定了核心筒相對(duì)于框架柱受收縮徐變的影響更大，因此上部樓層核心筒豎向變形超過(guò)框架柱。

4 結(jié)語(yǔ)

由以上分析可知，考慮施工過(guò)程所得到的結(jié)構(gòu)豎向變形與不考慮施工過(guò)程時(shí)有本質(zhì)區(qū)別，不考慮施工過(guò)程的模擬方案無(wú)法正確預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)豎向變形的發(fā)展情況。同時(shí)，由于收縮變形和徐變變形在結(jié)構(gòu)豎向變形中占有較大比例，未考慮收縮徐變時(shí)的結(jié)構(gòu)豎向變形偏小，對(duì)實(shí)際施工沒(méi)有指導(dǎo)作用。在考慮施工過(guò)程與收縮徐變效應(yīng)后，計(jì)算得到塔樓框架柱豎向變形值最大為66.58 mm，出現(xiàn)在36層，核心筒豎向變形值最大為57.82 mm，出現(xiàn)在40層，核心筒與框架柱豎向差異變形值最大為10.93 mm，出現(xiàn)在59層。

因此，本塔樓應(yīng)考慮施工過(guò)程和收縮徐變效應(yīng)的影響，在施工中結(jié)合數(shù)值模擬，通過(guò)采取施工找平、標(biāo)高預(yù)補(bǔ)償?shù)确椒ń档徒Y(jié)構(gòu)的豎向變形，同時(shí)削弱核心筒與框架柱的豎向差異變形。