大型地下室核心結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中的仿真分析與施工監(jiān)測(cè)*

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

某超高層建筑位于大連市中山區(qū)，東北側(cè)緊鄰繁忙的市區(qū)道路，南側(cè)有在建地鐵站房（暗挖法施工），其余周邊場(chǎng)地內(nèi)均為已建或在建超高層建筑，見(jiàn)圖1。地下室占地面積約8 500 m2，地下5 層。在結(jié)構(gòu)施工至地下1層頂板處時(shí)，設(shè)計(jì)方案更改，由原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主體高340 m、地上78 層，地下5 層，變更為結(jié)構(gòu)高度370 m、地上85 層、地下7 層。

圖1 設(shè)計(jì)變更前已建地下室現(xiàn)狀

本工程主體為鋼筋混凝土核心筒與型鋼混凝土柱外框架組成的混合結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)變更后需將已建核心筒和巨柱拆除，再按新的設(shè)計(jì)方案重新建造。由于工程周邊環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計(jì)變更施工風(fēng)險(xiǎn)大，變形控制要求高。本文以南面巨柱拆除為對(duì)象，對(duì)巨柱拆除過(guò)程中的各工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，指導(dǎo)施工過(guò)程，通過(guò)巨柱拆除過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果對(duì)比分析，保證整個(gè)核心結(jié)構(gòu)拆除過(guò)程安全可控[1-3]。

2 施工方案

按施工方案要求，先增加南側(cè)地下室外墻斜撐，拆除原有核心筒，待新建核心筒混凝土強(qiáng)度滿足要求后，設(shè)置新核心筒與地下室外墻水平臨時(shí)支撐，再拆除南側(cè)巨柱，施工流程見(jiàn)圖2。

圖2 施工流程示意

設(shè)置水平臨時(shí)支撐是為確保地下室外墻的穩(wěn)定，防止地下室發(fā)生坍塌事故[4,5]。根據(jù)核心筒拆除時(shí)的計(jì)算和監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，地下室南側(cè)B5～B3層每層設(shè)置8根臨時(shí)支撐，B2層設(shè)置4 根臨時(shí)支撐。臨時(shí)支撐采用Q345鋼管，φ609 mm，厚16 mm。

3 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

1）工程場(chǎng)地周邊環(huán)境復(fù)雜，緊鄰正在施工的地鐵車(chē)站，地下室側(cè)墻距離最為繁忙的市區(qū)道路僅有2 m，西側(cè)為一幢超高層建筑，施工變形控制要求高。

2）核心結(jié)構(gòu)拆除過(guò)程是地下室外墻力系轉(zhuǎn)換過(guò)程，原由巨柱承擔(dān)的側(cè)向力需轉(zhuǎn)換由新建核心筒承擔(dān)，整個(gè)施工過(guò)程情況復(fù)雜，施工難度大，危險(xiǎn)性高。

4 數(shù)值模擬

采用有限元分析軟件MIDAS/GEN建立核心結(jié)構(gòu)拆除過(guò)程整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖3所示。

圖3 有限元整體模型

4.1 建模原則

1）核心筒墻體和地下室外墻采用厚板單元模擬，樓板采用板單元模擬，型鋼混凝土柱采用組合截面梁?jiǎn)卧M；

2）忽略地下室底板作用，柱和核心筒底部均采用固結(jié)；

3）忽略次要構(gòu)件及洞口影響。

4.2 荷載及分項(xiàng)系數(shù)取值

地下室側(cè)墻承受的土壓力取靜止土壓力，靜止側(cè)壓力系數(shù)K0取0.5，僅考慮自重和土壓力作用，荷載組合分項(xiàng)系數(shù)均取1.0。

4.3 施工過(guò)程分析

已建結(jié)構(gòu)數(shù)值分析表明，巨柱為承擔(dān)側(cè)向土壓力主要構(gòu)件，核心筒對(duì)承擔(dān)土壓力貢獻(xiàn)較小，為此，僅考慮新核心筒完成后的施工過(guò)程，主要分兩大施工階段：

1）從B5～B2層分別設(shè)置水平臨時(shí)支撐， B5層鋼管每根設(shè)400 kN預(yù)頂力，B4～B2層鋼管每根設(shè)300 kN預(yù)頂力。

2）從B1～B6層依次拆除巨柱和相應(yīng)樓面板。由于拆除B4～B6層巨柱施工風(fēng)險(xiǎn)最大，此時(shí)增加監(jiān)測(cè)頻率。

工況一：鋼支撐預(yù)頂力加載完成；

工況二：拆除B1～B3層巨柱；

工況三：拆除B4層巨柱；

工況四：拆除B5層巨柱；

工況五：拆除B6層巨柱。

4.4 計(jì)算結(jié)果與分析

B3～B5層各臨時(shí)水平支撐的軸向應(yīng)力累積增量計(jì)算值如圖4～圖6所示。

圖4 B3層測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力累積增量計(jì)算值

圖5 B4層測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力累積增量計(jì)算值

圖6 B5層測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力增量計(jì)算值

從數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果可以看到，B1～B6層的巨柱拆除過(guò)程中，臨時(shí)支撐應(yīng)力累積增量在30 MPa以內(nèi)，應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)較平緩，未出現(xiàn)應(yīng)力超限及應(yīng)力突變較大的情況，此施工方案對(duì)地下室結(jié)構(gòu)整體及水平支撐是安全的。

5 應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)

5.1 測(cè)點(diǎn)布置原則

1）施工過(guò)程中的危險(xiǎn)部位，對(duì)應(yīng)力和變形絕對(duì)值和變化值較大的構(gòu)件布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控；

2）施工過(guò)程中主要受力構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力和變形監(jiān)控；

3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整，選取布置方便、容易保護(hù)的部位布置測(cè)點(diǎn)；

4）盡量避開(kāi)復(fù)雜受力的部位。

5.2 測(cè)點(diǎn)布置

1）應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在水平臨時(shí)支撐上，每層8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，從B3～B5層共24 個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。

2）位移測(cè)點(diǎn)布置在地下室外墻內(nèi)側(cè)的樓板上，如圖8所示，圖中黑點(diǎn)表示測(cè)點(diǎn)位置，每層6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，從B1～B6層共36 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖7 臨時(shí)支撐應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

圖8 樓面位移測(cè)點(diǎn)布置

5.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

5.3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

B3層和B5層各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力累積增量見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 B3層測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力累積增量實(shí)測(cè)值

圖10 B5層測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力累積增量實(shí)測(cè)值

5.3.2 變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

B4層和B6層各測(cè)點(diǎn)Y向位移實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖11、圖12。

5.4 實(shí)測(cè)結(jié)果小結(jié)

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，巨柱在拆除過(guò)程中的臨時(shí)支撐應(yīng)力累積增量基本在30 MPa以內(nèi)，個(gè)別點(diǎn)應(yīng)力增量為33 MPa，未出現(xiàn)應(yīng)力超限及應(yīng)力突變較大的情況。樓面測(cè)點(diǎn)位移變化均勻，每層拆除過(guò)程中也未超過(guò)單層拆除結(jié)構(gòu)安全報(bào)警值（5 mm），這表明巨柱拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)處于可控狀態(tài)，結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)在控制預(yù)期范圍內(nèi)。

圖11 B4層測(cè)點(diǎn)Y向位移實(shí)測(cè)值

圖12 B6層測(cè)點(diǎn)Y向位移實(shí)測(cè)值

6 實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果對(duì)比

為方便結(jié)果對(duì)比，選取有代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖7和圖8所示。

6.1 實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

6.1.1 應(yīng)力對(duì)比

B3層和B5層各取2 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行軸向應(yīng)力累積增量對(duì)比，如圖13～圖16所示。

圖13 B3層測(cè)點(diǎn)3應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

圖14 B3層測(cè)點(diǎn)5應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

圖15 B5層測(cè)點(diǎn)3應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

圖16 B5層測(cè)點(diǎn)5應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

6.1.2 位移對(duì)比

B4層和B6層各取2 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行Y向位移對(duì)比，如圖17～圖20所示。

圖17 B4層測(cè)點(diǎn)B位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

圖18 B4層測(cè)點(diǎn)C位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

圖19 B6層測(cè)點(diǎn)B位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

圖20 B6層測(cè)點(diǎn)C位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

6.2 小結(jié)

從實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比可知，背景工程變形、應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值吻合較好，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換較好地符合了方案預(yù)期，采用全過(guò)程有限元模擬仿真分析比較，正確地反映了巨柱拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)主體和臨時(shí)支撐的受力變化，保證了施工的順利實(shí)施。

7 結(jié)語(yǔ)

采用加設(shè)水平臨時(shí)支撐的方法對(duì)地下室外墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換施工，通過(guò)仿真分析模擬施工全過(guò)程，為結(jié)構(gòu)力系轉(zhuǎn)換提供了理論支撐，再通過(guò)有限元模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證有限元模擬的準(zhǔn)確性并對(duì)下一步施工提供預(yù)測(cè)[6-8]。

本工程通過(guò)仿真分析模擬結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換施工和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效地完成了結(jié)構(gòu)地下室核心結(jié)構(gòu)拆除過(guò)程中臨時(shí)支撐荷載轉(zhuǎn)換，確保施工過(guò)程安全可控，保證了結(jié)構(gòu)安全和整個(gè)施工過(guò)程的順利進(jìn)行，為日后同類工程施工提供了參考。