超高層建筑施工全過程豎向變形效應(yīng)研究

馬躍強

（1.上海建工二建集團有限公司，上海，200080；2.上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心，上海，200080）

超高層建筑施工全過程豎向變形效應(yīng)研究

馬躍強1，2，*

（1.上海建工二建集團有限公司，上海，200080；2.上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心，上海，200080）

依據(jù)歐洲規(guī)范EC2關(guān)于混凝土彈性模型、收縮、徐變隨時間變化規(guī)定，考慮施工順序加載、豎向構(gòu)件壓應(yīng)力差異、伸臂桁架后連接、下料長度調(diào)整等因素，結(jié)合某超高層建筑結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了施工全過程模擬，獲得各施工階段外框架柱和核心筒剪力墻的豎向變形量及差異，對施工過程中關(guān)鍵構(gòu)件的承載力進行驗算，同時比較了后連接方案對水平伸臂桁架內(nèi)力的影響。分析結(jié)果表明：在超高層設(shè)計時必須考慮混凝土收縮徐變等非荷載作用下的變形，豎向構(gòu)件應(yīng)考慮豎向變形而產(chǎn)生的壓縮量進行預(yù)調(diào)整，采用后連接的施工措施可以減小水平伸臂桁架的內(nèi)力。

超高層結(jié)構(gòu)，施工全過程，豎向變形，下料長度調(diào)整，后連接施工

1 引 言

超高層建筑的設(shè)計除了需要在結(jié)構(gòu)體系、抗震抗風(fēng)設(shè)計等方面有更高的要求之外，還需要考慮非荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力分析。在長期荷載作用下，由于混凝土徐變和收縮性能，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生豎向變形，影響層凈高、樓板平整度或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用，豎向構(gòu)件之間的差異變形引起水平桿件次內(nèi)力，對結(jié)構(gòu)安全造成不利影響［1-5］。

超高層結(jié)構(gòu)豎向變形及差異效應(yīng)問題需要在概念設(shè)計、計算分析、施工措施等方面加以分析和控制?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（GJ 3—2010）［6］中規(guī)定：對于混合結(jié)構(gòu)，計算豎向荷載作用時，宜考慮柱、墻在施工過程中軸向變形的影響，并宜考慮在長期荷載作用下由于鋼筋混凝土筒體的徐變收縮對鋼梁及柱產(chǎn)生內(nèi)力的不利影響，但是規(guī)范對如何考慮豎向變形差異效應(yīng)沒有明確的規(guī)定。

結(jié)合某超高層建筑項目，本文介紹了施工過程分析模擬的計算方法，對各施工階段不同構(gòu)件的豎向差異變形進行研究，對施工過程中構(gòu)件進行驗算，并考慮了施工次序?qū)λ缴毂坭旒軆?nèi)力的影響。

2 工程概況

某超高層建筑項目為甲級寫字樓，地上65層，地下3層，建筑屋頂高度為343 m，主屋頂結(jié)構(gòu)高度為298.6 m。結(jié)構(gòu)采用三重結(jié)構(gòu)體系抵御水平荷載，由鋼筋混凝土核心筒、外框架及構(gòu)成核心筒和鋼管混凝土柱之間相互作用的伸臂桁架及腰桁架組成。加強層布置在設(shè)備層內(nèi)，分別在第22和38層。

結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件混凝土強度為C40－C60，核心筒墻厚從底部1 200 mm逐漸收至400 mm，底部加強區(qū)、加強層與框架梁相連處埋設(shè)型鋼。平面主要采用16根φ1600－φ1000鋼管混凝土柱（壁厚32～24 mm，混凝土強度等級為C40－C60），角部采用6根φ1200－φ600鋼管混凝土小截面柱子構(gòu)成。典型框架梁截面為H780×400×20× 25，主梁為H550×300×12×22。

圖1 典型樓層平面圖（單位：mm）Fig.1 Typical floor plan（Unit：mm）

3 施工全過程分析方法

3.1 計算方法

傳統(tǒng)工程設(shè)計分析對象為恒定結(jié)構(gòu)物，結(jié)構(gòu)體系已給定，結(jié)構(gòu)豎向荷載亦不變。分析時將全部豎向荷載一次性全部施加在結(jié)構(gòu)上。但事實上，高層建筑結(jié)構(gòu)是自下而上逐層施工，豎向變形也在不斷積加，因此可以將施工分成一系列施工階段，對各階段進行有限元求解，得到各階段的結(jié)構(gòu)變形狀況［7］。

采用有限元軟件MIDASGEN，施工過程分析計算步驟如下：

（1）基于設(shè)計資料一次性建立整體結(jié)構(gòu)模型。

（2）依據(jù)實際工期，將整體結(jié)構(gòu)定義為若干施工階段，每一階段的計算以上一階段的平衡狀態(tài)為計算初始狀態(tài)。

（3）依據(jù)實際施工進度，依次激活相應(yīng)階段單元，定義相關(guān)材料參數(shù)、荷載及邊界條件，從而得到施工階段模型并進行求解，實現(xiàn)施工全過程跟蹤模擬。

3.2 混凝土分析模型［8-10］

1）混凝土彈性模量隨時間的變化

依據(jù)歐洲規(guī)范Eurocode2彈性模型隨時間的變化可以用下式描述：

式中，Ecm是澆筑后第28天時混凝土的彈性模量值；Ecm（t）是澆筑后第t天時混凝土的彈性模量值，t是以天為單位的混凝土齡期；S是取決于水泥類型的系數(shù)，對于快硬高強水泥，S＝0.20。

2）混凝土的徐變

混凝土的徐變和初始應(yīng)變的比值稱為徐變系數(shù)，徐變系數(shù)可以用下式計算：

式中，φ0為名義徐變系數(shù)；βc（t，t0）是描述加載后徐變隨時間發(fā)展的系數(shù)?？梢杂孟率接嬎悖?/p>

式中，φRH是考慮環(huán)境濕度對名義徐變系數(shù)影響的因子；β（fcm）是考慮混凝土強度對名義徐變系數(shù)影響的因子；β（t0）是考慮混凝土加載齡期對

式中，n＝Es／E0為彈性模量比值；μ＝As／bh為配筋率；λ為混凝土相應(yīng)應(yīng)力的受拉變形塑性系數(shù)，對軸心受拉，λ＝1.0。

3.3 施工工況

為了模擬彈性模量、徐變、收縮隨時間的發(fā)展，將整個結(jié)構(gòu)分為若干個不同的組，假定整個結(jié)構(gòu)以組為單位向上施工，本項目施工階段劃分如圖2所示。同一個組在不同的施工階段有不同的彈性模量、徐變和收縮值，同時實現(xiàn)按照施工順序加載計算結(jié)構(gòu)的豎向變形與差異以及由此引起的內(nèi)力。

在計算混凝土隨時間變化的彈性模量、徐變、收縮時，需要明確施工中材料、環(huán)境條件、施工進度、施工順序等情況。依據(jù)本工程實際情況和工程經(jīng)驗對此做出如下假定：

（1）核心筒剪力墻和鋼管混凝土柱中使用的水泥為快硬高強水泥；名義徐變系數(shù)影響的因子。

3）混凝土的收縮

混凝土的收縮應(yīng)變由兩部分組成，即干縮應(yīng)變和自生應(yīng)變。

式中，?cs是總收縮應(yīng)變；?cd是干縮應(yīng)變；?ca是自生應(yīng)變。

干縮應(yīng)變隨時間的發(fā)展可以用下式計算：

式中，εcd，0為基本干縮應(yīng)變；kh是依賴于構(gòu)件名義尺寸h0的系數(shù)；βds（t，ts）是與時間和構(gòu)件名義尺寸h0有關(guān)的系數(shù)。

自生應(yīng)變用下式計算：

式中，εca（∞）＝2.5（fck－10）·10－6；βas（t）＝1－exp（－0.25t0.5）。

4）含鋼率對收縮應(yīng)變的影響

對稱配筋構(gòu)件，若混凝土的自由收縮應(yīng)變?ch為基本未知量，混凝土的拉應(yīng)變?yōu)?c＝?cs－?s。兩者的應(yīng)力分別為σs＝?sEs，σc＝λ（εsh?s）E0截面的平衡方程為

解之得：

圖2 施工階段Fig.2 Construction stages

（2）施工環(huán)境相對濕度取為80%，溫度為25℃；

（3）鋼管混凝土柱和核心筒剪力墻的加載齡期均為3天；

（4）施工速度為每層5天，外框架柱的施工滯后于核心筒7層，在加強層處，施工速度為每層8天。

4 豎向變形差異效應(yīng)研究

4.1 豎向變形量及差異

選取外框架鋼筋混凝土柱和核心筒中的一對控制點CB1和PIER1，如圖3所示，得到了在結(jié)構(gòu)封頂一年后的豎向變形。

通過計算，得到外框架柱和核心筒的豎向變形量及差異，如圖4所示。由圖可知，由于各壓縮變形積累效應(yīng)，豎向位移沿著高度總體上服從逐漸增大的規(guī)律，最大豎向位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部103 mm。外框架柱CB1和核心筒剪力墻PIER1的總變形量及差異逐層遞增，最大變形差為13.5 mm，嚴重影響了樓板的平整度，因此對其構(gòu)件進行預(yù)調(diào)整是非常有必要的。

圖3 豎向變形計算點Fig.3 Calculation points of vertical deformation

圖4 豎向變形量及差異Fig.4 Vertical deformation and differences

核心筒和外框架柱的彈性、徐變和收縮變形分別如圖5和圖6所示。

圖5 核心筒PIER1的豎向變形量Fig.5 Vertical deformation of core wall PIER1

由圖可知，核心筒頂層PIER1的徐變和收縮變形量和占總變形量的47%，外框架柱CB1的徐變和收縮變形量和占總變形量的32%，因此在超高層設(shè)計時必須考慮徐變、收縮等非荷載作用下的變形。

圖6 CB1柱的豎向變形量Fig.6 Vertical deformation of column CB1

4.2 下料長度調(diào)整

對于超高層建筑，已完成的豎向構(gòu)件會隨著施工的進行而不斷發(fā)生豎向變形，應(yīng)考慮豎向變形而進行預(yù)調(diào)整，可以簡化施工過程中的調(diào)整。依據(jù)收縮和徐變的發(fā)展速度，可以確定施工完成一年后的軸向壓縮補償量。圖7和圖8分別為核心筒PIER1和外框架柱CB1下料長度的預(yù)調(diào)整量，也就是施工相應(yīng)樓層時估算的豎向變形量。

圖7 核心筒PIER1的豎向預(yù)調(diào)整量Fig.7 Vertical adjustment of core wall PIER1

圖8 CB1柱的豎向預(yù)調(diào)整量Fig.8 Vertical adjustment of column CB1

4.3 施工階段構(gòu)件驗算

各階段僅在其已施工完成的部分添加重力荷載以及40%之活荷載模擬其施工荷載。第五階段（伸臂合龍前）施加70%之50年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載。施工過程分析選取其中最為不利的荷載組合進行分析。

1）外框架柱

圖9 柱CB1施工階段內(nèi)力校核Fig.9 Internal bearing capacity check of column CB1 in construction stages

由圖10施工過程中外框架柱的承載力校核可知，外框架柱均能滿足承載力要求。

2）外框鋼梁、伸臂桁架與環(huán)向桁架

由圖10可知，外框鋼梁、伸臂桁架與環(huán)向桁架的最大應(yīng)力為141 MPa，不超過鋼結(jié)構(gòu)Q345的設(shè)計值，均能滿足承載力要求。

4.4 施工次序?qū)λ缴毂蹣?gòu)件內(nèi)力影響

為避免外框架柱與核心筒之間的豎向變形差在伸臂桁架中產(chǎn)生較大次內(nèi)力，在設(shè)定施工次序時伸臂桁架先臨時固定，等結(jié)構(gòu)封頂后再最終固定，這樣封頂前其變形差不在伸臂桁架中產(chǎn)生內(nèi)力，如圖11所示。

圖10 外框鋼梁及伸臂桁架應(yīng)力圖Fig.10 Stress diagram of the outside box beam and cantilever truss

圖11 伸臂桁架的臨時固定Fig.11 Temporary fasten of the cantilever truss

由表1可知，后連接相比一次性加載考慮伸臂桁架在結(jié)構(gòu)封頂后再形成剛性節(jié)點，構(gòu)件內(nèi)力可以卸載25%以上。

表1 考慮后連接伸臂桁架內(nèi)力對比Table 1 Cantilever truss internal force comparison connsidering connection after construction

通過施工模擬分析，考慮結(jié)構(gòu)封頂后伸臂桁架連接，可以有效地減少由于重力荷載作用下結(jié)構(gòu)變形在伸臂桁架產(chǎn)生的內(nèi)力，因此采用后連接的施工措施是必要的。

5 結(jié) 論

依據(jù)歐洲規(guī)范EC2關(guān)于混凝土彈性模型、收縮、徐變隨時間變化的規(guī)定，考慮施工順序加載、豎向構(gòu)件壓應(yīng)力差異、水平伸臂桁架后連接、下料長度調(diào)整等因素，對某超高層建筑進行施工全過程分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）豎向位移及差異沿著高度總體上服從逐漸增大的規(guī)律，最大豎向位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部；

（2）核心筒與外框架柱豎向變形差異較大，嚴重影響樓板的平整度，必須對其構(gòu)件進行預(yù)調(diào)整；

（3）核心筒和外框架柱徐變和收縮變形量和占總變形量的32%以上，在超高層設(shè)計時必須考慮非荷載作用下的變形；

（4）施工過程分析時應(yīng)選取其中最為不利的荷載組合對外框架梁柱、伸臂桁架、環(huán)向桁架進行承載力驗算；

（5）考慮結(jié)構(gòu)封頂后伸臂桁架再連接工藝，可以有效地減少由于重力荷載作用下結(jié)構(gòu)變形在伸臂桁架產(chǎn)生的內(nèi)力。

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［10］ CEB-FIP Model code 1990：Design Code，Thomas Telford，1990.

Effect Analysis on the Vertical Deformation During Construction W hole Process of Super High-rise Building Structures

MA Yueqiang1，2，*
（1.Shanghai Second Construction Group Co.Ltd.，Shanghai200080，China；2.Shanghai Center of Top-Down Method in Construction Engineering，Shanghai200080，China）

According to European code EC2 about concrete elastic model，shrinkage and creep change over time and considering the construction order of loads，the difference of the vertical compressive stress components，cantilever truss connections and blanking length adjustment，The paper realized the whole construction process simulation in combination with a super-high building structure and obtained the results of the total vertical deformation and the relative deformation between the outer frame and the core-wall.At the same time，it calculated the bearing capacity of key components in every construction stages and compared the internal forces of the horizontal cantilever truss considering connection after construction.Analysis results show that concrete shrinkage and creep deformationmustbe considered for the design of high-rise building structure，the deformation of the vertical component of vertical deformation should be considered to adjust，and the internal force of horizontal cantilever truss could be reduced through connection after construction.

super high-rise structures，construction whole process，vertical deformation，adjustmentof cutting length，connection after construction

2013－11－18

*聯(lián)系作者，Email：yqma1982＠163.com