某超高層結(jié)構(gòu)施工模擬分析

孫鋒

引言

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）錯誤！未找到引用源。第11.3.3條要求，進行豎向荷載作用計算時，宜考慮外圍框架柱與鋼筋混凝土核心筒豎向變形差異引起的結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力，同時計算豎向變形差時宜考慮混凝土收縮、徐變、沉降及施工調(diào)整等因素的影響，特別是混凝土的長期效應(yīng)（收縮徐變效應(yīng)），會使整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形隨時間的推移而不斷變化。在超高層建筑結(jié)構(gòu)中，外框柱與核心筒的豎向變形差異比較大，次內(nèi)力的影響比較明顯明顯，這種現(xiàn)象稱為超高層建筑結(jié)構(gòu)的差異變形效應(yīng)[2]。

目前常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法并未考慮混凝土長期效應(yīng)的影響，整個結(jié)構(gòu)的荷載條件，支座的約束條件，材料參數(shù)等都隨施工進程而改變，結(jié)構(gòu)完成后的內(nèi)力和變形也是各個施工步疊加后的結(jié)果[3]。

本文結(jié)合某超高層項目，對各施工階段外圍框架柱與鋼筋混凝土核心筒之間的豎向差異變形進行分析研究，同時考慮水平構(gòu)件的不同施工方案整體結(jié)構(gòu)帶來的影響。本項目采用了腰桁架和外伸臂桁架，對其次內(nèi)力的分析也是重點。

1..工程概況

本項目建筑總高333米，混凝土屋面高度為329.4米，地上61層，地下4層?；乜偯娣e約為1萬平方米，地上建筑面積約為10萬平方米，地下建筑面積約為3.57萬平方米。

該項目采用型鋼混凝土框架-伸臂-核心筒結(jié)構(gòu)體系（如圖2.1）。型鋼混凝土柱底部最大截面尺寸為2400mm×2400mm。在第15層、29層、43層和57層共設(shè)置了四道伸臂桁架。伸臂桁架將外圍型鋼混凝土框架柱與鋼筋混凝土核心筒連成一體，既有效約束了核心筒的彎曲變形，又高效利用了周邊型鋼混凝土框架柱來減少結(jié)構(gòu)的整體變形、豎向差異變形以及不均勻沉降。腰桁架設(shè)置在第29層、43層和57層，是抗側(cè)力體系外框架的一部分。

核心筒平面形狀沿高度根據(jù)建筑平面功能作相應(yīng)調(diào)整，底部平面為23m×19.4m，至32層內(nèi)收為19.4m×19.4m，底部加強區(qū)核心筒外墻厚1100mm。

由于本項目建筑高度達333m，水平構(gòu)件數(shù)量較多，因此有必要對其進行施工全過程模擬，分析豎向差異變形對結(jié)構(gòu)帶來的影響。

2.分析方法

2.1水平構(gòu)件連接方案

本項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要水平構(gòu)件有伸臂桁架和腰桁架。由于豎向構(gòu)件的差異變形會在水平構(gòu)件中產(chǎn)生次內(nèi)力，而此次內(nèi)力的產(chǎn)生又和水平構(gòu)件施工方案的制定息息有關(guān)。由于篇幅限制，本文僅分析了不同施工方案下結(jié)構(gòu)豎向差異變形效應(yīng)對伸臂桁架內(nèi)力的影響。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，外框架和核心筒之間的豎向差異變形與伸臂桁架連接的時間點有關(guān)，伸臂桁架連接越早，兩者的差異變形越大，次內(nèi)力亦增大，反之則相反[2]。

本工程在分析時伸臂桁架時考慮兩種施工方案：

（1）施工方案一：伸臂桁架在結(jié)構(gòu)封頂時一次性連接;

（2）施工方案二：伸臂桁架隨樓層同步施工。

2.2.混凝土分析模型

本文以CEB-FIP（90）模型為基礎(chǔ)，根據(jù)Bazant的研究成果，采用AEMM法（按齡期調(diào)整的有效模量法）對混凝土徐變進行模擬計算。在所有計算混凝土徐變的簡化方法中，AEMM法較為完善，通過定義老化系數(shù)，充分考慮了混凝土老化對最終徐變值的影響，彌補了傳統(tǒng)有效模量法未考慮材料老化的不足，適用于高精度的計算分析[4]。

2.3施工模擬分析

2.3.1施工過程模擬

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）的建議，超高層結(jié)構(gòu)在進行重力荷載作用效應(yīng)分析時宜考慮施工過程的影響，但對施工階段活荷載的取值并未明確規(guī)定。參考以往工程案例，施工階段結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載為自重加40%的設(shè)計活荷載，并以此作為施工模擬分析的初始工況。

施工方案：①施工速度：7天/層;②框架與核心筒同步施工;③整個施工過程分為24個施工階段，層57以下每個施工步層數(shù)為3層，層57以上至頂層每個施工步層數(shù)為2層;主體完工預(yù)計為480d。

利用通用有限元軟件ETABS的施工順序加載分析功能，按上述施工方案加載得到各個時間段上豎向構(gòu)件的內(nèi)力值。再結(jié)合混凝土收縮徐變預(yù)測模型（AEMM法）計算得到各個時間段上的豎向變形值。

3.分析結(jié)果

3.1外圍框架柱與核心筒間豎向變形差異

在上述原理和施工方案的基礎(chǔ)上，本項目分析計算了結(jié)構(gòu)外框架及核心筒剪力墻在結(jié)構(gòu)封頂時、結(jié)構(gòu)封頂半年、結(jié)構(gòu)封頂一年以及結(jié)構(gòu)封頂三年時刻豎向變形和差異。

墻柱豎向變形及差異往往因施工加載順序不同、豎向構(gòu)件壓應(yīng)力差異、混凝土收縮徐變（包括齡期影響）等因素的影響而呈現(xiàn)出差異性，同時，實際工程中后期結(jié)構(gòu)平面布置的調(diào)整、建筑使用功能的改變（荷載不同）等都會影響到計算結(jié)果的最終值。圖3.1.1、3.1.2直觀地表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)封頂時考慮施工調(diào)整與否對結(jié)構(gòu)豎向變形（差）的影響。

3.2伸臂桁架

本文對伸臂桁架的兩種施工方案進行了模擬分析，同時考察了伸臂桁架斜桿在結(jié)構(gòu)封頂、封頂后一年和三年時刻因豎向差異變形效應(yīng)引起的次內(nèi)力變化情況，分析結(jié)果如表3.2.1-3.2.2所示。

分析結(jié)果表明，框架柱和核心筒的豎向變形隨時間發(fā)展而增大，豎向差異變形也隨之發(fā)生改變。對于施工方案一，結(jié)構(gòu)封頂后一年到結(jié)構(gòu)封頂后三年，伸臂腹桿最大應(yīng)力比水平很低且變化很小。與施工方案一相比，施工方案二各伸臂桁架的連接時間較早，因此豎向差異變形對次內(nèi)力的影響更大，致使伸臂斜桿應(yīng)力比遠(yuǎn)大于施工方案一，但應(yīng)力比變化很小，究其原因是：施工完成后外框柱與核心筒收縮徐變速率基本處于同一水平。

從上述分析結(jié)果可知，伸臂桁架連接越遲對結(jié)構(gòu)的不利影響越小。但伸臂桁架連接過于滯后會對施工階段結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，實際施工過程中應(yīng)綜合考慮伸臂桁架各種連接方案對結(jié)構(gòu)帶來的影響，從中選取最優(yōu)方案。

3.3腰桁架

本項目結(jié)構(gòu)在29層、43層和57層設(shè)置了三道腰桁架，由于外框柱間的豎向差異變形，在腰桁架中也會產(chǎn)生次內(nèi)力。表3.3.1列出了腰桁架斜桿最大應(yīng)力比。

由于各柱軸壓比接近，各柱間差異變形較小，腰桁架斜桿應(yīng)力比較小。從表中發(fā)現(xiàn)，方案一下各道腰桁架斜桿最大應(yīng)力比均比方案二大，原因是伸臂桁架連接早對減小各柱間的差異變形有利。因此，在選取伸臂桁架連接方案時，應(yīng)注意對腰桁架應(yīng)力比影響。

4.結(jié)論

（1）超高層結(jié)構(gòu)的豎向變形及差異分析必須考慮施工調(diào)整，從而補償本層和之前已經(jīng)產(chǎn)生的豎向變形這一實際情況。

（2）隨著時間的推移，結(jié)構(gòu)的豎向差異變形逐漸擴大，次內(nèi)力亦隨之增大。結(jié)構(gòu)平面布置和荷載取值及分布的變化也會使不同位置外框柱與核心筒的豎向變形存在差別。本工程由于結(jié)構(gòu)布置比較對稱，核心筒墻豎向變形較均勻;外框柱豎向變形也較一致，角柱相對于邊柱而言豎向變形稍小些;又由于外框柱與核心筒軸壓比比較接近，兩者之間的豎向變形差異較小。核心筒與外框柱的豎向變形量及豎向變形差的最大值發(fā)生在結(jié)構(gòu)中部或中上部。

（3）伸臂桁架連接越晚產(chǎn)生的次內(nèi)力越小，但結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的問題會更加突出。本項目風(fēng)荷載控制，因此需要綜合考慮并確定伸臂的連接方案。

（4）由于框架柱間差異變形較小，與伸臂桁架相比，差異變形效應(yīng)在腰桁架中產(chǎn)生的次內(nèi)力較小。

參考文獻

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