在施階段超高層建筑地震響應(yīng)及核心筒領(lǐng)先層數(shù)研究*

張 茅，郭浩霆，徐 平，翁邦正，龐 拓，張?zhí)飸c

(1.中國建筑第二工程局有限公司西南分公司，重慶 400024； 2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045； 3.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

0 引言

框架-核心筒結(jié)構(gòu)是目前超高層建筑常用的結(jié)構(gòu)體系，混凝土強(qiáng)度和外形處于不斷變化狀態(tài)，且由于核心筒施工速度快過外框架和筒內(nèi)樓板施工速度，使在建框架-核心筒結(jié)構(gòu)中的核心筒有一定領(lǐng)先層數(shù)。在建結(jié)構(gòu)處于核心筒領(lǐng)先狀態(tài)時(shí)會(huì)影響結(jié)構(gòu)承載力及抗震性能，因此JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》建議核心筒領(lǐng)先層數(shù)為4～8 層[1]。針對(duì)該現(xiàn)象，已有不少學(xué)者對(duì)核心筒領(lǐng)先施工的施工方法進(jìn)行研究。2005年，張堅(jiān)等結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出使用經(jīng)驗(yàn)層數(shù)法、簡單估算法和整體計(jì)算法確定核心筒領(lǐng)先層數(shù)[2]。2013年，朱川海等考慮施工期間結(jié)構(gòu)體系、材料特性和荷載作用的時(shí)變性，引入施工階段基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(PBSD)方法，分析處于不同施工階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，解決超高層建筑施工過程分析與控制問題，提出核心筒超前外框架施工層數(shù)的合理分析方法[3]。2015年，虞終軍等分析比較各施工工況下的結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性，提出解決頂層墻肢局部穩(wěn)定性不滿足要求的施工控制建議[4]。2016年，周康研究施工速度與領(lǐng)先層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，提出各結(jié)構(gòu)部分不同最優(yōu)領(lǐng)先層數(shù)，確定伸臂桁架合理的安裝時(shí)序[5]。2017年，陳保勛等考慮墻肢實(shí)際支撐條件，重新計(jì)算數(shù)值模擬中的計(jì)算長度系數(shù)，得到實(shí)際計(jì)算長度系數(shù)，與最大超前施工層數(shù)[6]。

雖然不少學(xué)者對(duì)超高層結(jié)構(gòu)的核心筒領(lǐng)先層數(shù)進(jìn)行研究，但對(duì)超高層結(jié)構(gòu)施工階段的抗震性能分析卻鮮有探討。本文以西山萬達(dá)寫字樓為工程背景，探討核心筒領(lǐng)先層數(shù)對(duì)在建框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 工程概況

本文以昆明西山萬達(dá)廣場項(xiàng)目北塔樓為例，北塔樓地面以上建筑67層，總高度為296.7m。工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，抗震設(shè)防為乙類，設(shè)計(jì)地震分組為第3組，場地類別為Ⅲ類；多遇地震影響系數(shù)為0.16，特征周期0.65s，阻尼比為0.04，罕遇地震影響系數(shù)為0.90。

2 有限元模型建立

本文在ETABS平臺(tái)上分別建立整樓及4種工況的有限元模型。施工分區(qū)如圖1所示。整樓模型采用鋼管混凝土柱+鋼梁-型鋼混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，利用建筑避難層設(shè)置4道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力體系為核心筒，外框架及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層協(xié)同作用，以提供結(jié)構(gòu)足夠抗側(cè)及抗扭剛度。由于本工程抗震設(shè)防烈度高，特征周期較長，地震內(nèi)力很大，為提高豎向抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)向剛度，核心筒墻厚為400～1 300mm，鋼管柱直徑為1 300～2 400mm，外框梁根據(jù)各樓層受力特點(diǎn)分別為1 000mm×950mm，800mm×950mm，600mm×950mm，1 000mm ×1 200mm 規(guī)格的箱形鋼梁等 ，并在 34，46，58層設(shè)置伸臂桁架，在22，34，46，58層設(shè)置腰桁架[7]。

圖1 施工分區(qū)

施工過程中，結(jié)構(gòu)屬于時(shí)變體系，根據(jù)超高層建筑施工進(jìn)度計(jì)劃，建立4種工況的核心筒不同領(lǐng)先層數(shù)模型，考慮核心筒提前施工，核心筒內(nèi)梁板應(yīng)與外框架樓板同時(shí)施工?？紤]材料特性及實(shí)際受力情況，由于框架柱采用相同建筑材料且受力情況接近，因此柱與柱間的軸向變形較小。但混凝土內(nèi)筒和框架柱材料的不同層次及不同受力情況，會(huì)產(chǎn)生較明顯的軸向變形差，如在施工初期便將核心筒和鋼管混凝土柱間相互作用的伸臂桁架作剛性連接，導(dǎo)致伸臂桁架需承擔(dān)額外的變形作用力[8]。為避免伸臂桁架產(chǎn)生不必要的變形作用力，施工初期伸臂桁架將采用后連接方法，允許伸臂桁架于施工期較后時(shí)間連接，直至主體結(jié)構(gòu)施工完成后及大量軸向變形差產(chǎn)生后才連接伸臂桁架。因此，使用ETABS進(jìn)行施工過程中的彈性及彈塑性時(shí)程分析時(shí)，不考慮伸臂桁架對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

3 地震響應(yīng)

3.1 地震波選取

由結(jié)構(gòu)基本參數(shù)及GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]得到地震影響系數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 地震影響系數(shù)曲線

在地震記錄中，強(qiáng)地震動(dòng)是緩慢衰減的，存在長周期高能脈沖。近斷層地震動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特征主要表現(xiàn)為上盤效應(yīng)、破裂前向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)。上盤效應(yīng)指上盤強(qiáng)地震動(dòng)衰減慢于下盤，強(qiáng)地震動(dòng)分布面積大，主要分布在上盤?；瑳_效應(yīng)和破裂前向性效應(yīng)共同導(dǎo)致長周期脈沖。所選地震記錄的加速度時(shí)程曲線經(jīng)調(diào)幅后如圖3所示。

圖3 地震波加速度時(shí)程曲線

3.2 時(shí)程分析輸入最大地震動(dòng)加速度取值

時(shí)程分析輸入最大地震動(dòng)加速度如表1所示。任意t年內(nèi)，地震烈度i的分布符合極值Ⅲ型分布[10-11]，如下式所示：

(1)

表1 時(shí)程分析輸入最大地震動(dòng)加速度 m·s-2

根據(jù)建筑施工周期推算施工階段的設(shè)計(jì)使用年限T1，由地震危險(xiǎn)性分析可知某個(gè)地區(qū)以年超越概率p(I>i)表示的地震危險(xiǎn)性；根據(jù)式(2)可得使用年限為50年內(nèi)超越概率0.1的地震烈度，進(jìn)而求出該地區(qū)的地震烈度分布形狀參數(shù)K。

p(I>i|T)=1-[1-p(I>i)]T

(2)

根據(jù)式(1)可求t年內(nèi)超越概率為0.632的地震烈度，及設(shè)計(jì)使用年限50年時(shí)超越概率為0.632的地震烈度差值。將差值帶入式(3)可確定任意t年與50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期水平地震最大影響因素比值，進(jìn)而求出對(duì)應(yīng)使用年限的地震作用。

(3)

按照上述方法，當(dāng)T=10年，求得時(shí)程分析時(shí)輸入的地震加速度最大值應(yīng)調(diào)整如表1所示。

3.3 不同施工階段彈性及彈塑性時(shí)程分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，選擇Cape Mendocino地震波，使用SeismoMatch程序調(diào)整時(shí)程分析地震動(dòng)峰值加速度(peak ground acceleration, PGA)為0.74，1.48m/s2。對(duì)建筑施加速度峰值x∶y=1∶0.85的雙向地震波，分別進(jìn)行如下彈性和彈塑性時(shí)程分析。

1)PGA為0.74m/s2時(shí)，整樓模型和4區(qū)模型層間位移角如圖4所示。

圖4 整樓和4區(qū)位移角

4區(qū)施工階段模型在某一滿足頻譜特性地震波下，從核心筒領(lǐng)先部位第1層(52層)開始，層間位移角增長顯著。說明核心筒領(lǐng)先部分的側(cè)向剛度明顯小于外框架施工完成部分，在地震作用下產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)響應(yīng)突變。對(duì)比整樓模型，4區(qū)模型的層間位移角隨樓層增加逐漸加大，在核心筒領(lǐng)先部分中的上升速度較外框架施工完成部分更快，其中最大層間位移角(1/476)出現(xiàn)在59層。而整樓模型的最大層間位移角出現(xiàn)在47層，47層往上層間位移角隨樓層上升而減小。

2)PGA為0.74m/s2時(shí)，2區(qū)施工階段不同領(lǐng)先層層間位移角如圖5所示。

圖5 2區(qū)不同領(lǐng)先層層間位移角

2區(qū)領(lǐng)先層數(shù)不同，整體層間位移角出現(xiàn)較大變化。其中領(lǐng)先20層時(shí)最大層間位移角(1/473)是領(lǐng)先15層時(shí)最大層間位移角(1/733)的1.55倍。領(lǐng)先15層時(shí)的最大層間位移角是領(lǐng)先10層時(shí)最大層間位移角(1/989)的1.35倍。當(dāng)超過18層后，最大層間位移角超過規(guī)范限值，因此在2區(qū)施工條件下，極限領(lǐng)先層數(shù)為18層。可以發(fā)現(xiàn)，34層的層間位移角突變明顯，說明避難層在核心筒領(lǐng)先部分的側(cè)向剛度較小。施工完成樓層中，最大層間位移角隨領(lǐng)先層數(shù)的增加顯著增加，施工完成部分的響應(yīng)隨之增大，由此可見施工完成樓層數(shù)較低時(shí)，核心筒領(lǐng)先部分對(duì)全部已建樓層響應(yīng)產(chǎn)生較大影響。

3)不同分區(qū)的核心筒領(lǐng)先部分和外框架施工完成樓層層間位移角對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同分區(qū)的層間位移角

核心筒領(lǐng)先模型中，外框架施工完成樓層的響應(yīng)在施工初期隨已建層數(shù)的增加顯著增大，在3區(qū)施工階段后，結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨施工階段的推進(jìn)逐漸減小，其中4區(qū)施工階段模型的外框架施工完成樓層(0～20層)最大層間位移角較2區(qū)同樓層減少約18.7%。說明隨著整體抗側(cè)力體系的完善，結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)趨于穩(wěn)定。主要層間位移角增幅體現(xiàn)在核心筒領(lǐng)先部分。1～4區(qū)施工階段的核心筒領(lǐng)先部分與外框架施工完成樓層的層間位移角差值分別為1區(qū)1/6 098，2區(qū)1/1 230，3區(qū)1/611，4區(qū)1/1 686。說明隨著施工階段的推進(jìn)，核心筒領(lǐng)先部分的結(jié)構(gòu)響應(yīng)突變開始顯著，直到抗側(cè)力體系逐漸完善后，該結(jié)構(gòu)響應(yīng)突變現(xiàn)象有所緩和。

4)當(dāng)PGA為0.74m/s2時(shí)，2,4區(qū)的領(lǐng)先層層間位移角對(duì)比如圖7所示。

圖7 2,4區(qū)模型層間位移角對(duì)比

由圖7可知，4區(qū)施工階段模型(領(lǐng)先15層)的領(lǐng)先層部分與施工完成部分最大層間位移角差值為1/1 686，而2區(qū)施工階段模型(領(lǐng)先15層)的領(lǐng)先層部分與施工完成部分最大層間位移角差值為1/3 096。說明隨著施工階段推進(jìn)，領(lǐng)先層部分的結(jié)構(gòu)響應(yīng)逐漸突出。

5)遭遇罕遇地震作用，PGA為1.48m/s2時(shí)，1～4區(qū)的層間位移角對(duì)比如圖8所示。1～4區(qū)的核心筒領(lǐng)先部分最大層間位移角與施工完成部分最大層間位移角的差值為1區(qū)1/1 570，2區(qū)1/402，3區(qū)1/365，4區(qū)1/452。相比PGA為0.74m/s2時(shí)的彈性階段，核心筒領(lǐng)先部分的結(jié)構(gòu)響應(yīng)更突出，且隨著施工階段的推進(jìn)響應(yīng)逐漸增大。側(cè)向剛度較小的薄弱層層間位移角與相鄰層差異更顯著，說明在罕遇地震作用下，側(cè)向剛度不均勻帶來的影響會(huì)被進(jìn)一步放大。

圖8 罕遇地震作用下不同分區(qū)的層間位移角對(duì)比

4 結(jié)語

1)施工過程中遭遇地震荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)層間位移角隨施工階段的推進(jìn)呈先增長后減小的趨勢(shì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)體未能形成較完整的抗側(cè)力體系時(shí)，隨著樓層增高，核心筒領(lǐng)先部分的結(jié)構(gòu)響應(yīng)會(huì)增大。當(dāng)施工到一定階段，在建結(jié)構(gòu)體擁有較完整的抗側(cè)力體系后，核心筒領(lǐng)先部分響應(yīng)突變才趨于緩和。因此結(jié)構(gòu)樓層超過50層后，應(yīng)嚴(yán)格控制核心筒領(lǐng)先層數(shù)在9層以內(nèi)。

2)當(dāng)核心筒領(lǐng)先高度達(dá)到一定程度后，會(huì)產(chǎn)生較大的核心筒結(jié)構(gòu)響應(yīng)突變，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制核心筒領(lǐng)先極限高度。當(dāng)存在避難層等側(cè)向剛度較低的樓層時(shí)，為防止過大的結(jié)構(gòu)響應(yīng)出現(xiàn)突變。

3)在罕遇地震作用下，核心筒領(lǐng)先部分的結(jié)構(gòu)響應(yīng)更加顯著，相較于PGA為0.74m/s2時(shí)，罕遇地震下核心筒領(lǐng)先部分的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與其余部分結(jié)構(gòu)響應(yīng)的比值突出約30%，薄弱層在罕遇地震作用下的增長幅度更是巨大。因此，高烈度地區(qū)的核心筒領(lǐng)先施工需提前做好施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。