某超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)施工模擬分析

王秀泉

（中國聯(lián)合工程有限公司，杭州 310052）

1 引言

超高層建筑施工過程中，受結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、混凝土收縮、徐變等問題的影響會產(chǎn)生一定的豎向變形。該豎向變形及不同構(gòu)件變形差將導(dǎo)致建筑標(biāo)高、層高與結(jié)構(gòu)設(shè)計值存在一定的差異，出現(xiàn)附加內(nèi)力。另外，在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)中柱、墻、筒等豎向構(gòu)件會因為承受的豎向力不同，導(dǎo)致豎向變形不同，進(jìn)而產(chǎn)生較大的豎向變形差。混合結(jié)構(gòu)由于采用了2 種不同材料，這種變形差異將進(jìn)一步加大。豎向變形差對結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件均有不利影響，嚴(yán)重時會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞影響使用。

2 工程概況

本項目位于杭州市蕭山區(qū)，地上塔樓為一幢56 層超高層，結(jié)構(gòu)大屋面高度246.8m，停機(jī)坪高度256.20m，幕墻構(gòu)架頂標(biāo)高264.00m，建筑效果圖見圖1。整個場地設(shè)有滿鋪的3 層地下室，地下室底板標(biāo)高為-13.400m。建筑平面為正方形，平面尺度為42m×42m，采用鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系。

圖1 建筑效果圖

3 施工模擬分析模型的建立

3.1 有限元模型的建立

結(jié)合本工程施工實際情況，通過Midas Gen 建立結(jié)構(gòu)的有限元模型（見圖2），進(jìn)行施工全過程分析。分析時采用施工精確模擬分析方法僅考慮結(jié)構(gòu)自重以及施工荷載對結(jié)構(gòu)的影響，同時考慮施工過程中樓層找平、混凝土強(qiáng)度發(fā)展、收縮徐變等因素的影響。

圖2 結(jié)構(gòu)模型

3.2 計算假定

進(jìn)行施工精確模擬確定結(jié)構(gòu)在施工中的受力及變形狀態(tài)采用以下假定：

1）結(jié)構(gòu)逐段或逐層施工，混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后再拆除模板，結(jié)構(gòu)自身承力；

2）下部已施工樓層的荷載對上部未施工樓層受力沒有影響，上部樓層變形作為荷載施加在下部樓層上，結(jié)構(gòu)變形是疊加的；

3）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)整體性良好，結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)的沉降是均勻的，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向變形不受基礎(chǔ)沉降的影響。

3.3 計算依據(jù)及理論

有關(guān)混凝土的收縮徐變模式和計算方法很多，當(dāng)前國內(nèi)外常用的模式主要有：CEB-FIP 模式、B3 模式、ACI-209 模式等。其中，CEB-FIP 模式是歐洲混凝土協(xié)會（CEB）和國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會（FIP）1978 年建議的，為我國交通部公路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范（1985）所采用。它采用滯后彈性變形（可恢復(fù)的徐變）與塑性變形（不可恢復(fù)的徐變）相加的徐變系數(shù)表達(dá)式，并將塑性變形分為初始流變和延遲塑性變形2 部分。

本文通過 Midas Gen 軟件，采用 CEB-FIP 模型【1】考慮混凝土材料的時變特性，進(jìn)行全過程施工模擬分析。

由于在施工過程中，結(jié)構(gòu)只承受自身重力及施工中的荷載，其他荷載影響較小。本文建模過程匯總施工中荷載主要包括：結(jié)構(gòu)自重以及施工活荷載。其中，施工荷載考慮結(jié)構(gòu)及施工特性取為 2.5kN/m2【2】。

4 施工模擬分析結(jié)果

4.1 鋼管混凝土柱分析結(jié)果

框架角柱和邊柱分別采用一次加載和施工模擬分析所得的豎向彈性變形量對比見圖3 和圖4。施工模擬分析時，框架柱的變形沿結(jié)構(gòu)高度呈現(xiàn)出魚腹?fàn)钭兓厔荩Q向位移的最大值出現(xiàn)在中部樓層，其中角柱變形峰值為44.5mm，邊柱變形峰值為46.8mm；按一次加載分析時，不考慮施工找平調(diào)整，框架柱的豎向變形沿結(jié)構(gòu)高度不斷增大，最大變形發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部，其中，角柱變形峰值為93.5mm，邊柱變形峰值為101.2mm。

圖3 角柱豎向變形量計算結(jié)果對比

圖4 邊柱豎向變形量計算結(jié)果對比

4.2 核心筒分析結(jié)果

主體結(jié)構(gòu)施工完成時，核心筒在收縮、徐變及恒荷載作用下豎向變形的影響曲線見圖5。各工況下豎向變形趨勢相同，均在36 層附近達(dá)到豎向變形峰值，頂部及底部樓層變形相對較小。從峰值大小看，恒荷載產(chǎn)生的變形最大（32.1mm），徐變效應(yīng)次之（13.1mm），收縮效應(yīng)影響最?。?.5mm），三者累積最大變形和為47.7mm。

核心筒自開始施工至完成施工后5a 內(nèi)累計收縮變形量見圖6。施工完成時，由于施工階段找平影響，底部早已開始收縮，頂部剛剛澆搗，因此，收縮變形沿樓層接近于魚腹?fàn)钋€。使用階段隨著時間的推移，收縮效應(yīng)引起的豎向位移峰值所在的樓層逐步上移，由施工結(jié)束時對應(yīng)的36 層，1a 后上升至頂層。5a 后收縮引起的豎向變形峰值由2.5mm 增加至16mm。

圖5 施工完成各工況下核心筒豎向變形

圖6 核心筒樓累計收縮變形

核心筒自開始施工至完成施工后5a 內(nèi)累計徐變變形量見圖7。使用階段隨著時間的推移，收縮效應(yīng)引起的豎向位移峰值所在的樓層逐步上移，由施工結(jié)束時對應(yīng)的36 層，5a 后上升至48 層。徐變引起的豎向變形峰值也由13.1mm 增加至23.9mm。

核心筒自開始施工至完成后5a 內(nèi)累計豎向變形（彈性+收縮+徐變）見圖8?？梢?，徐變效應(yīng)和收縮效應(yīng)在開始階段引起的變形都增長較快，但隨時間變形速率逐漸減小。雖然使用階段，隨著時間的推移，徐變效應(yīng)和收縮效應(yīng)引起的豎向位移峰值所在樓層逐步上移，但總的豎向變形仍呈魚腹?fàn)钋€，總的豎向變形峰值由47.7mm 增加至64.9mm。

圖7 核心筒樓累計徐變變形

圖8 核心筒樓累計總豎向變形

4.3 框架柱與核心筒變形差分析結(jié)果

表1 為考慮結(jié)構(gòu)收縮、徐變效應(yīng)施工模擬，以及恒荷載作用下鋼管混凝土柱與核心筒豎向變形差計算結(jié)果，可見施工完成時框架柱與核心筒之間存在變形差，并且隨著時間的推移，變形差會加大。

5 結(jié)語

本文通過對一幢超高層施工過程數(shù)值模擬，分析了該超高層混合結(jié)構(gòu)豎向變形規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）一次性加載的一般分析并不能反映超高層結(jié)構(gòu)的豎向變形規(guī)律，需要進(jìn)行施工過程數(shù)值模擬，才能得到與實際一致的豎向變形結(jié)果。

表1 墻柱豎向變形差比較 mm

2）在施工完成時，核心筒的豎向變形均以彈性壓縮變形及混凝土的徐變?yōu)橹?，收縮變形所占比例相對較小。

3）隨著時間的推移，徐變效應(yīng)和收縮效應(yīng)引起的豎向位移峰值所在樓層逐步上移，但總的豎向變形仍呈魚腹?fàn)钋€。

4）施工完成時，框架柱與核心筒之間存在變形差，并且隨著時間的推移，變形差會加大，設(shè)計中需要考慮變形引起的附加內(nèi)力。