超高復雜塔臺斜交網格筒自密實混凝土澆筑高度研究*

劉曉英，劉 敏，劉曉林，劉 栗

(1.山東青建智慧建筑科技有限公司，山東 青島 266000； 2.山東新中魯建設有限公司，山東 青島 266000；3.青建集團股份公司，山東 青島 266011)

1 工程概況

某塔臺地上17層，地下2層，建筑高度92.8m，總建筑面積3 346.2m2，塔臺主樓核心筒為直徑8m的鋼筋混凝土圓筒，高度87.3m。其中，2～13層層高6m，其余層層高3.9～5m。剪力墻厚度包括250，300mm，混凝土外壁尺寸統一，核心筒外置鋼結構螺旋樓梯。塔臺結構采用的斜交網格外網沿整體結構高度布置，采用交叉鋼管斜柱形成菱形鋼網格。外側網架鋼管直徑均為350mm，鋼管壁厚隨著高度的增加而遞減，底部鋼管壁厚為25mm，頂部鋼管壁厚為10mm。樓面標高處，斜交網格筒每層均設有環形梁，每隔6層網格采用水平連接支撐將混凝土核心筒與斜交網格筒連接，環形梁截面形式采用箱形截面，截面尺寸為500mm×300mm(長×寬)。為保證結構強度及剛度滿足設計要求，在逆時針方向的鋼管柱內澆筑C50微膨脹自密實混凝土，澆筑高度控制是施工重點，為此，本文對澆筑高度進行模擬分析，確定最優澆筑高度。

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

塔臺主樓為高聳結構，采用斜交網格筒-鋼筋混凝土剪力墻內筒結構體系，外部斜交網格筒造型復雜，如圖1所示。

圖1 塔臺效果

塔臺結構平面及立面布置如圖2所示，結構所用混凝土均為C50微膨脹自密實混凝土，鋼材等級均為Q345C。結構斜交網格筒網架根據環梁布置可分為16層，隨著樓層的增加，斜交網格筒斜柱尺寸減小。塔臺內筒采用混凝土剪力墻結構，最外部圓筒剪力墻厚300mm，內部圓筒剪力墻厚250mm。斜交網格筒斜柱之間焊接連接，為固接節點。在剪力墻每層環梁處設置預埋件，用于設置支撐，使鋼筋混凝土剪力墻內筒與斜交網格筒協同工作，支撐兩端鉸接連接。

圖2 塔臺結構平面及立面布置

由于塔臺外部斜交網格筒結構造型復雜，利用Midas軟件建模困難，因此本研究首先利用CAD軟件建模，然后導入Midas軟件中進行分析。建模時，首先將鋼外網結構按層劃分截面，建立每層截面模型；然后根據斜柱螺旋上升規律，沿著每層截面連線，快速繪制外部斜交網格筒結構，如圖3a所示。

圖3 結構模型

利用Midas軟件進行分析時，外部斜交網格筒采用框架桿件單元模擬，內部混凝土筒體采用殼單元模擬(見圖3b)。首先定義所需的材料屬性；然后根據結構施工圖，定義所需的圓鋼管、內灌混凝土鋼管、焊接箱形鋼、焊接H型鋼、混凝土墻板、內部桿件等的截面屬性；最后對模型邊界條件及荷載進行定義，包括恒荷載、活荷載、風荷載、地震作用、地震反應譜，抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，確定荷載模式、荷載工況及荷載組合。為保證模型變形不失真，同時保證運算速度，對模型進行網格劃分，每根桿件最小段數為3段，最大段長為0.5m，單元網格最大尺寸為0.5m×0.5m。

2.2 參數設置

設置斜交網格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度分別為0，27.7，39.7，45.7，57.7，83.43m。

2.3 結果分析

在斜交網格筒頂部施加5 000kN的水平側向集中力，分析頂部位移及結構剛度。對結構施加風荷載及地震作用，分析不同澆筑高度下，結構在風荷載及地震作用下的變形與受力。

2.3.1混凝土澆筑高度為0m

混凝土澆筑高度為0m時塔臺斜交網格筒結構位移云圖如圖4所示。由圖4可知，塔頂最大位移為0.24m，根據受力及位移計算得到結構剛度為2.08×107N/m。

圖4 混凝土澆筑高度為0m時塔臺斜交網格筒結構位移云圖(單位：m)

混凝土澆筑高度為0m時塔臺斜交網格筒結構在風荷載作用下的受力云圖如圖5所示。由圖5可知，斜交網格筒最大軸力為1 844.95kN，出現在底部；最大剪力為155.16kN，出現在底部；最大彎矩為120.3kN·m，出現在細腰處；最大應力為115.8N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為2 993kN/m，最大應力為16.7N/mm2。

圖5 混凝土澆筑高度為0m時塔臺斜交網格筒結構在風荷載作用下的受力云圖

混凝土澆筑高度為0m時塔臺斜交網格筒結構在地震作用下的受力云圖如圖6所示。由圖6可知，斜交網格筒最大軸力為749.26kN，出現在底部；最大剪力為74.98kN，出現在底部；最大彎矩為44.998kN·m，出現在細腰處；最大應力為46.98N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為1 348kN/m，最大應力為7.5N/mm2。

圖6 混凝土澆筑高度為0m時塔臺斜交網格筒結構在地震作用下的受力云圖

2.3.2混凝土澆筑高度為27.7m

由位移云圖可知，混凝土澆筑高度為27.7m時塔臺斜交網格筒結構塔頂最大位移為0.228m，根據受力及位移計算得到結構剛度為2.19×107N/m。

由風荷載作用下的受力云圖可知，斜交網格筒最大軸力為1 929.7kN，出現在底部；最大剪力為150.5kN，出現在底部；最大彎矩為146.04kN·m，出現在細腰處；最大應力為122.3N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為2 825.8kN/m，最大應力為16.1N/mm2。

由地震作用下的受力云圖可知，斜交網格筒最大軸力為790.6kN，出現在底部；最大剪力為74.13kN，出現在底部；最大彎矩為54.08kN·m，出現在細腰處；最大應力為49.98N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為1 316.37kN/m，最大應力為7.26N/mm2。

2.3.3混凝土澆筑高度為39.7m時

由位移云圖可知，混凝土澆筑高度為39.7m時，塔頂最大位移為0.224m，根據受力及位移計算得到結構剛度為2.23×107N/m。

由風荷載作用下的受力云圖可知，斜交網格筒最大軸力為1 966kN，出現在底部；最大剪力為150.5kN，出現在底部；最大彎矩為148.5kN·m，出現在細腰處；最大應力為124.6N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為2 823.7kN/m，最大應力為15.4N/mm2。

由地震作用下的受力云圖可知，斜交網格筒最大軸力為824.5kN，出現在底部；最大剪力為74.2kN，出現在底部；最大彎矩為56.4kN·m，出現在細腰處；最大應力為52.1N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為1 317kN/m，最大應力為7.27N/mm2。

2.3.4混凝土澆筑高度為45.7m

由位移云圖可知，混凝土澆筑高度為45.7m時塔臺斜交網格筒結構塔頂最大位移為0.222m，根據受力及位移計算得到結構剛度為2.25×107N/m。

由風荷載作用下的受力云圖可知，斜交網格筒最大軸力為1 984.5kN，出現在底部；最大剪力為150.6kN，出現在底部；最大彎矩為149.76kN·m，出現在細腰處；最大應力為125.75N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為2 824.2kN/m，最大應力為15.4N/mm2。

由地震作用下的受力云圖可知，斜交網格筒最大軸力為842.5kN，出現在底部；最大剪力為74.3kN，出現在底部；最大彎矩為57.6kN·m，出現在細腰處；最大應力為53.2N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為1 317.8kN/m，最大應力為7.27N/mm2。

2.3.5混凝土澆筑高度為57.7m

由位移云圖可知，混凝土澆筑高度為57.7m時塔臺斜交網格筒結構塔頂最大位移為0.22m，根據受力及位移計算得到結構剛度為2.27×107N/m。

由風荷載作用下的受力云圖可知，斜交網格筒最大軸力為2 020.15kN，出現在底部；最大剪力為150.8kN，出現在底部；最大彎矩為152.2kN·m，出現在細腰處；最大應力為128N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為2 827.1kN/m，最大應力為15.4N/mm2。

由地震作用下的受力云圖可知，斜交網格筒最大軸力為878kN，出現在底部；最大剪力為74.5kN，出現在底部；最大彎矩為60.07kN·m，出現在細腰處；最大應力為55.48N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為1 320.9kN/m，最大應力為7.29N/mm2。

2.3.6混凝土澆筑高度為83.43m

由位移云圖可知，混凝土澆筑高度為83.43m時塔臺斜交網格筒結構塔頂最大位移為0.218m，根據受力及位移計算得到結構剛度為2.29×107N/m。

由風荷載作用下的受力云圖可知，斜交網格筒最大軸力為2 087.3kN，出現在底部；最大剪力為151.4kN，出現在底部；最大彎矩為156.8kN·m，出現在細腰處；最大應力為132.2N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為2 837.8kN/m，最大應力為15.3N/mm2。

由地震作用下的受力云圖可知，斜交網格筒最大軸力為945.2kN，出現在底部；最大剪力為75.1kN，出現在底部；最大彎矩為64.7kN·m，出現在細腰處；最大應力為59.7N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內筒最大內力為1 331.6kN/m，最大應力為7.35N/mm2。

綜上所述，隨著斜交網格筒單向主斜柱自密實混凝土澆筑高度的增加，塔臺結構抗側剛度逐漸增大，當混凝土澆筑高度占結構總高度的2/5(39.7m)以下時，塔臺結構抗側剛度增加速率較大；當混凝土澆筑高度占結構總高度的2/5及以上時，斜交網格筒抗側剛度大于鋼筋混凝土剪力墻內筒抗側剛度。隨著斜交網格筒單向主斜柱自密實混凝土澆筑高度的增加，斜交網格筒軸力、應力、應力比均逐漸增大，當混凝土澆筑高度占結構總高度的2/5以上時，鋼筋混凝土剪力墻內筒應力基本無變化；當混凝土澆筑高度占結構總高度的2/5以下時，結構受力主要由鋼筋混凝土剪力墻內筒承擔；當混凝土澆筑高度占結構總高度的2/5以上時，結構受力主要由斜交網格筒承擔。

3 結語

為方便施工，按照結構每層環梁的布置高度確定斜交網格筒斜柱自密實混凝土澆筑高度。本文通過數值模擬分析了斜交網格筒結構斜柱自密實混凝土澆筑高度對結構剛度、受力及變形的影響，得出以下結論。

1)當斜交網格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度占結構總高度的2/5以下時，塔臺結構抗側剛度增加速率較大。

2)當斜交網格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度占結構總高度的2/5及以上時，斜交網格筒抗側剛度大于鋼筋混凝土剪力墻內筒抗側剛度。

3)隨著斜交網格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度的增加，斜交網格筒軸力、應力、應力比均逐漸增大。

4)當斜交網格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度占結構總高度的2/5以下時，結構受力主要由鋼筋混凝土剪力墻內筒承擔；當斜交網格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度占結構總高度的2/5以上時，結構受力主要由斜交網格筒承擔。

5)當斜交網格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度占結構總高度的2/5時，結構內、外筒在風荷載及地震作用下的受力性能較好，同時保證了經濟性，因此在本工程中，斜交網格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度選為39.7m。