某超限高層框筒結(jié)構(gòu)豎向變形差分析

駱志成，張龍生

（1、廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 廣州 510010；2、廣州市設(shè)計院 廣州 510620）

1 工程概況

本項目地塊規(guī)劃有廣汕鐵路和穗莞深城際鐵路，廣州地鐵13號線與16號線在此交匯。凱達(dá)爾樞紐國際廣場規(guī)劃設(shè)計為集辦公、酒店、商業(yè)、零售購物及休閑娛樂為一體的大型商業(yè)綜合體，用地面積38 697.1 m2，規(guī)劃總建筑面積約365 100 m2。如圖1所示，項目規(guī)劃方案由4層地下室，13層裙房，以及兩棟超高層塔樓（西塔234.85 m，東塔182.25 m）組成。

圖1 項目效果圖Fig.1 Project Renderings

西塔 49層，高 234.85 m，建筑面積 92 034 m2，采用框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)高寬比為4.74，核心筒高寬比為9，屬超B 級高度高層建筑［1］。西塔平面呈等邊三角形，角部做圓弧過渡，核心筒也為削角等邊三角形。采用Midas/Gen 軟件對西塔進(jìn)行施工模擬分析，并考慮混凝土收縮徐變的影響。施工模擬分析的目的，主要是準(zhǔn)確模擬施工過程結(jié)構(gòu)的受力變形狀態(tài)，并且考察剪力墻筒體和框架柱的豎向變形差異，對設(shè)計及施工提出指導(dǎo)意見。目前國內(nèi)也有一些超高層施工模擬的工程實例［2-10］，本工程實例可供后續(xù)類似工程作為參考。

2 測點選取

圖2 豎向構(gòu)件測點示意圖Fig.2 Diagrammatic Sketch of Text Point on Vertical Member

根據(jù)框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，如圖2所示，分別選取核心筒三個面上的剪力墻測點：墻1 測點、墻3 測點、墻4 測點，以及內(nèi)部的墻2 測點，作為剪力墻豎向位移的考察對象，再選取與剪力墻測點相對應(yīng)的外框柱測點：柱1 測點、柱3 測點、柱4 測點，以及角點的混凝土方柱（柱2 測點），分析剪力墻筒體和框架柱的在施工模擬過程中的豎向變形差異，由于篇幅有限，文中僅列出典型測點，墻1 測點和柱1 測點的分析結(jié)果。

3 計算模式

Gen 分析模型中，剪力墻采用墻單元，梁柱采用梁單元，樓板荷載分配在梁上。鋼管柱采用聯(lián)合截面定義，考慮鋼管與混凝土的協(xié)同作用。

為了準(zhǔn)確考慮各層豎向位移、位移差以及施工階段內(nèi)力變化情況，保證結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，施工模擬分析時考慮施工期間材料的時變特性。舉例說明C60 收縮徐變定義，收縮徐變函數(shù)采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范：JTG D62-2004》；28 d 材齡抗壓強度（標(biāo)號強度）60 N/mm2；相對濕度取70%；構(gòu)件的理論厚度h0取1 m（先假定此值，程序可以自動計算）；開始收縮時混凝土材齡為3 d。設(shè)定C60～C70 的抗壓強度發(fā)展函數(shù)，混凝土材料強度隨時間變化特性取CEB-FIP；水泥類型為N，R:0.25。

施工模擬加載方式如表1所示，模型中一個樓層對應(yīng)一個結(jié)構(gòu)組和荷載組。結(jié)構(gòu)封頂階段，47層的塔樓部分共分47 個施工階段，前后工期約為470 d，整個分析過程均考慮收縮徐變的影響。

表1 施工模擬加載方式Tab.1 Loading Mode of Construction Simulation

4 豎向變形分析

4.1 外框柱1及剪力墻1的豎向變形分析

圖3為柱1 測點的本層及上部樓層和下部樓層引起的彈性變形和總變形曲線圖。從圖3中可知：柱1測點最大變形總量為施工完最后一層后的153.7 mm，最大彈性變形總量為84.3 mm，這是不考慮施工找平的最大變形量，一般施工階段都會進(jìn)行施工找平，施工找平后下部樓層引起的變形會被消除。

圖4為柱1 測點考慮施工找平的豎向變形曲線。從圖4可以看出：隨著樓層數(shù)增加，柱1 測點的豎向變形也增加，最大豎向變形發(fā)生在25層為67.6 m，其中彈性變形為39 mm，徐變加收縮變形為28.6 mm，收縮徐變引起的變形占總變形的比例為42.3%。

圖3 結(jié)構(gòu)封頂柱1測點豎向變形曲線Fig.3 Curve of Vertical Deformation in Column 1 When Structure Completed

從圖5可知，結(jié)構(gòu)封頂時柱1 的最大豎向變形在25層，為67.6 mm，而結(jié)構(gòu)封頂后5年變化為33層的118.1 mm。

圖5 結(jié)構(gòu)封頂時和封頂后5年柱1的豎向變形曲線對比Fig.5 Comparison of Vertical Deformation Curves of Column 1 When Structure Completed and 5 Years Later

圖6為墻1點的本層及上部樓層和下部樓層引起的彈性變形和總變形曲線圖，從圖6中可知：墻1點最大變形總量為施工完最后一層后的118.3 mm，最大彈性變形總量為54.9 mm。

圖7為考慮找平后墻1 點的豎向變形曲線。從圖7可以看出：隨著樓層數(shù)增加，墻1 點的豎向變形也增加，最大豎向變形發(fā)生在26層，為48 mm，其中彈性變形為22.1 mm，徐變加收縮變形為25.9 mm，收縮徐變變形占總變形的比例為54%。

從圖8可知，結(jié)構(gòu)封頂時墻1 點的最大豎向變形為26層的48 mm，而結(jié)構(gòu)封頂后5年變化為39層的104.4 mm。

圖6 結(jié)構(gòu)封頂墻1測點豎向變形曲線Fig.6 Curve of Vertical Deformation in Wall 1 When Structure Completed

圖7 考慮找平影響結(jié)構(gòu)封頂墻1點的豎向變形曲線Fig.7 Curve of Vertical Deformation in Wall 1 when Structure Completed with Leveling Effects

圖8 結(jié)構(gòu)封頂時和封頂后5年墻1的豎向變形曲線對比Fig.8 Comparison of Vertical Deformation Curves of Wall 1 When Structure Completed and 5 Years Later

從圖9可以看出：封頂時，最大豎向變形差發(fā)生在20層，為21.1 mm。彈性變形引起的變形差為18.9 mm，可見，收縮徐變引起的變形差占總變形差10%。

圖9 考慮找平影響結(jié)構(gòu)封頂柱1和墻1的豎向變形差曲線Fig.9 Curve of Different Vertical Deformation of Column 1 and Wall 1 when Structure Completed with Leveling Effects

從圖10可知，結(jié)構(gòu)封頂時柱1 和墻1 的最大豎向變形差為20層的21.1 mm，而結(jié)構(gòu)封頂后5年變化為21層的32 mm。

圖10 結(jié)構(gòu)封頂時和封頂后5年柱1和墻1豎向變形差曲線對比Fig.10 Comparison of Different Vertical Deformation Curves of Column 1 and Wall 1 when Structure Completed and 5 Years Later

5 內(nèi)力分析

由圖11可知，在施工過程中底層框架柱內(nèi)力變化較為均勻，與預(yù)期吻合。

圖11 底層柱1隨施工階段的軸力變化Fig.11 The Change of Axial Force at the bottom of Column 1 during the Construction Stage

表2為典型墻柱支座反力在不同情況下的對比，從數(shù)據(jù)可知，收縮徐變對豎向構(gòu)件內(nèi)力影響較小。

表2 封頂5年后典型底層墻柱支座反力Tab.2 Reaction Force at the bottom of the Typical Wall and Column when Structure Completed for 5 year （kN）

由以上分析可以知結(jié)構(gòu)在22層剪力墻與框架的變形差異較大，因此取22層A和A1，B和B1間的梁作為分析對象，考察不同情況下梁的內(nèi)力情況。梁1為A和A1間的梁段，梁2為B和B1間的梁段。

由表3可知，一次性加載下梁端彎矩和剪力最大。施工模擬考慮收縮徐變時，梁端彎矩和剪力相對較小，收縮徐變對梁內(nèi)力影響程度比對豎向構(gòu)件稍大。

表3 22層梁段內(nèi)力比較Tab.3 Comparison of Internal Force in the beam of 22nd Floor

6 結(jié)論

本章主要對西塔塔樓進(jìn)行施工模擬分析，考慮了材料時變特性引起的收縮徐變對結(jié)構(gòu)豎向變形及內(nèi)力的影響，得出如下結(jié)論：

⑴材料時變特性引起豎向變形占總豎向變形的40%～60%，不考慮收縮徐變變形會低估結(jié)構(gòu)的變形。

⑵封頂階段，結(jié)構(gòu)的最大豎向變形發(fā)生在25～27層，最大豎向變形差發(fā)生在結(jié)構(gòu)的20～22層，結(jié)構(gòu)的中間位置，沿上部和下部逐漸變小。結(jié)構(gòu)封頂后5年，由于收縮徐變的影響，結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生結(jié)構(gòu)的33～44層。

⑶施工過程中各構(gòu)件內(nèi)力變化均勻合理，這與預(yù)期設(shè)想相符合。整個施工模擬過程較為準(zhǔn)確的反映了真實的施工過程的內(nèi)力及位移變化情況，施工過程強度，剛度及穩(wěn)定性都能達(dá)到設(shè)計要求。

⑷對于工程設(shè)計的指導(dǎo)：收縮徐變使高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的豎向變形，必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮收縮徐變的施工過程分析。相對于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的徐變變形較小，但仍應(yīng)給予考慮，否則計算結(jié)果誤差較大。

數(shù)值計算結(jié)果表明：使用階段鋼管混凝土柱和核心筒的豎向位移差較大。該差值會引起較大的附加彎矩和附加剪力，在實際工程設(shè)計中應(yīng)盡量考慮該影響。

⑸對于施工過程的指導(dǎo)：為實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)和保證長期使用安全，高層建筑施工時對結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行逐層找平，并應(yīng)考慮到荷載長期效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響。