外框斜柱豎向傳力交匯點樓層處施工模擬分析

胡 燕，陳 東，曹 靖，田朋飛

(1.安徽建筑大學(xué) 土木學(xué)院，安徽 合肥 230601;2.安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司,安徽 合肥238076)

隨著超高層建筑物地不斷涌現(xiàn)，一些新型的結(jié)構(gòu)體系也應(yīng)運而生，外框架網(wǎng)格核心筒[1]就是一種新型的結(jié)構(gòu)體系。目前越來越多的超高層建筑物采用外框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，這一體系具有廣闊的發(fā)展前景[2]，例如廣州電視塔、廣州西塔等均采用了此結(jié)構(gòu)體系。

外框架斜交網(wǎng)格體系并沒有傳統(tǒng)意義上的梁與柱，而是由交叉斜柱替代了梁柱結(jié)構(gòu)，形成一個筒體[3]，從而使結(jié)構(gòu)體系具有較強(qiáng)的側(cè)向剛度和水平承載力。外框架斜柱可把結(jié)構(gòu)所承受的水平承載力以斜向軸力傳遞給地基，因此避免了二階彎矩的產(chǎn)生，同時也減小了結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)受力合理化[4]。深圳市某高層鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系采用外框架斜交網(wǎng)格+勁型鋼柱+鋼管柱+鋼梁+核心筒結(jié)構(gòu)。在建筑施工過程中，外框架斜交網(wǎng)格的X節(jié)點需與該節(jié)點相連接的框架鋼梁進(jìn)行焊接[5]。為了鋼梁可以準(zhǔn)確定位，應(yīng)在該節(jié)點下方框架梁上設(shè)一臨時支撐，該支撐承受焊接鋼梁傳來的豎向荷載，并將該荷載傳遞到臨時支撐所在的框架梁上，使水平梁結(jié)構(gòu)額外受力，需驗算施工過程荷載的影響。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50017-2017對結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，利用Midas軟件進(jìn)行相關(guān)的施工模擬分析來判斷結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形是否超過規(guī)范所要求的限值，以及是否需要相關(guān)的加強(qiáng)措施。

1 工程概況

該工程總占地面積15 781 m2，總建筑面積114 479 m2，首層高16.98 m，標(biāo)準(zhǔn)層高4.2 m，結(jié)構(gòu)標(biāo)高200.570 m，地上42層，地下3層，屋面包括設(shè)備夾層及停機(jī)坪。鋼結(jié)構(gòu)主要由地下室勁性外框鋼骨柱、核心筒箱型鋼管混凝土柱、立面鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、核心筒與鋼網(wǎng)格之間連梁組成，部分樓層核心筒內(nèi)分布有勁性鋼連梁。地下室勁性外框鋼骨柱共26根，沿8-C軸對稱分布。地下2、3層為十字型鋼骨柱，地下室1層為箱型鋼骨柱，角柱為組合截面鋼骨柱。

核心筒箱型鋼管組合柱分布在核心筒四角處，共4根，從基礎(chǔ)頂向上延伸至屋頂。每4層分布有勁性鋼連梁。

立面鋼網(wǎng)格沿建筑外四個立面分布，從-1.030 m向上延伸至200.250 m的停機(jī)坪。鋼網(wǎng)格外形呈大小不同的菱形網(wǎng)格狀，立面呈起伏造型。鋼網(wǎng)格型材主要截面為箱型，40層以上使用H型鋼，通過H型鋼梁與核心筒連接。截面形式包含鋼交叉網(wǎng)格箱型柱、H型鋼柱、箱型鋼管組合柱、箱型梁、H型梁、箱型H型組合梁。鋼構(gòu)件主截面板厚為16～100 mm，總用鋼量為約19 000 t。

核心筒鋼柱分段方案：地上F1層鋼柱分為三節(jié)，F(xiàn)2至F6鋼柱每層一節(jié)；F7至屋頂兩層一節(jié)。鋼梁分段方案：超過17.5 m鋼梁分為兩段(部分超過塔吊吊重分為三段)，分段位置為鋼梁兩端1/3處，其余原則上不分段。鋼結(jié)構(gòu)三維效果圖如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)三維效果圖

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型主要有斜交網(wǎng)格箱型柱、核心筒箱型組合柱、網(wǎng)格H型柱、H型梁，斜交網(wǎng)格箱型柱典型的截面尺寸為口650×650×35×35、口800×650×100×100、口1100×650×90×90，其材質(zhì)為Q390，分布位置為外框柱。核心筒箱型組合柱的典型截面尺寸有PL30×1100、PL30×1200、PL30×1300、PL30×140，其材質(zhì)為Q345，分布位置為核心筒柱。網(wǎng)格H型柱的典型截面尺寸有H350×350×14×22、H500×350×13×35、H600×450×18×37、H650×650×50×80，其材質(zhì)為Q390，分布位置為外框網(wǎng)格柱。H型梁的典型截面尺寸有H450×200×10×150×10×8、H550×200×10×150×10×10、H700×400×14×26、H900×300×20×30、H1050×650×70×80、H1150×550×20×45，其材質(zhì)為Q345，分布位置為普通樓面鋼梁，其他H型梁典型截面尺寸為H1000×650×20×35、H1050×650×70×80、H1150×650×70×80，材質(zhì)為Q390，分布位置為外圍網(wǎng)格柱間鋼梁及核心筒四角鋼梁。

2 外框斜柱豎向傳力交匯點樓層處施工模擬分析

2.1 施工階段的荷載取值

2.1.1 Midas自重計算

整體結(jié)構(gòu)采用Midas軟件進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點的施工階段仿真分析，荷載工況則根據(jù)鋼構(gòu)件類型設(shè)置為恒荷載構(gòu)件自重，考慮混凝土收縮與徐變等工況，恒荷載自重由軟件自動計算。

2.1.2 混凝土收縮和徐變

混凝土收縮主要是指混凝土中水泥水化產(chǎn)生的體積收縮，溫度降低產(chǎn)生的收縮和干燥失水產(chǎn)生的干縮，這些變形一般不可逆；徐變指的是混凝土在壓應(yīng)力長時間作用下產(chǎn)生的永久變形[7]。一般而言，在施工階段，由混凝土收縮徐變產(chǎn)生的變形為施工階段豎向構(gòu)件主要變形[8]，故要考慮在混凝土收縮徐變作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的計算。

2.2 施工模擬分析

根據(jù)整體工程實際施工方案與部署，對本次施工階段的仿真分析主要考慮結(jié)構(gòu)自重以及施工過程中恒荷載與活荷載組合，鑒于工程施工周期相對較短，較大風(fēng)荷載與地震作用在施工期間發(fā)生的概率較小[9]，因此在此次施工仿真分析中不予考慮。

施工部署總思路遵循先主構(gòu)件，后次構(gòu)件即“先起核心筒，后起鋼框架”的原則。斜交網(wǎng)格外筒主體結(jié)構(gòu)為異形箱形結(jié)構(gòu)，且外框鋼柱為傾斜鋼柱，隨著樓層的增高，斜交網(wǎng)格鋼柱跨越樓層數(shù)增加。由于鋼結(jié)構(gòu)安裝精度要求高，位置、標(biāo)高及軸線定位難度大，所以在進(jìn)行斜交網(wǎng)格鋼柱、鋼梁安裝時，如果在施工過程中不增加臨時固定支撐，會使鋼構(gòu)件在安裝定位時發(fā)生移位現(xiàn)象，易造成偏差，增加施工難度。

在安裝過程中，斜交鋼網(wǎng)格柱傾斜方向用φ159×6圓管支撐進(jìn)行臨時固定，大門廳處斜網(wǎng)格柱采用H300×300×10×15支撐進(jìn)行臨時固定。臨時支撐圖如圖2所示。

圖2 臨時支撐圖

外框架梁傳來的荷載可以按照節(jié)點恒荷載計算，由于該建筑結(jié)構(gòu)的框架梁截面形式相同，傳力情況類似，因此該模擬分析不需在所有層進(jìn)行。在此對第1到3層密集區(qū)域、4到19層中密區(qū)域進(jìn)行施工模擬分析，取第2層、第15層、大門處斜邊柱以及大門斜柱豎向傳力交匯點樓層處進(jìn)行施工模擬分析。

此外，在第一層(包括夾層)處由于沒有橫梁與外框架斜交網(wǎng)格相連，在施工時斜交網(wǎng)格可能產(chǎn)生破壞，因此對該部分也需要進(jìn)行施工階段分析，即在標(biāo)高-1.030～15.950 m處進(jìn)行各個X網(wǎng)格的施工階段分析，如圖3所示。

(a)首層側(cè)面第一層X網(wǎng)格安裝分析應(yīng)力云圖

(b)首層側(cè)面第一層X網(wǎng)格安裝分析變形云圖

(c)首層側(cè)面第二層X網(wǎng)格安裝分析應(yīng)力云圖

(d)首層側(cè)面第二層X網(wǎng)格安裝分析變形云圖

(e)首層側(cè)面第三層X網(wǎng)格安裝分析應(yīng)力云圖

(f)首層側(cè)面第三層X網(wǎng)格安裝分析變形云圖

(g)首層側(cè)面X網(wǎng)格懸空柱安裝分析應(yīng)力云圖

(h)首層側(cè)面X網(wǎng)格懸空柱安裝分析變形云圖 圖3 首層X網(wǎng)格施工模擬圖

由圖3可知：首層側(cè)面第一層X網(wǎng)格安裝階段模擬分析得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力在中間斜交網(wǎng)格柱底端達(dá)到最大值，約為3.52 MPa，位移變形量在中間斜交網(wǎng)格柱頂端達(dá)到最大值，約為0.35 mm；第二層X網(wǎng)格安裝階段模擬分析得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力值在中間斜交網(wǎng)格柱連接點處達(dá)到最大值，約為3.64 MPa，位移變形量在中間斜交網(wǎng)格柱頂端達(dá)到最大值，約為0.55 mm;第三層X網(wǎng)格安裝階段模擬分析得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力在第二層最外側(cè)X網(wǎng)格柱連接點處達(dá)到最大值，約為6.96 MPa，位移變形量在第三層第二根鋼柱頂端達(dá)到最大值，約為0.72 mm；X網(wǎng)格懸空柱安裝模擬分析得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力在第二層最外側(cè)X網(wǎng)格柱連接點處達(dá)到最大值，約為11.06 MPa，位移變形量在懸空柱頂端達(dá)到最大值，約為2.41 mm；首層X網(wǎng)格各階段仿真分析表明，最大應(yīng)力值和位移變形量均出現(xiàn)在X網(wǎng)格懸空柱安裝階段。

大門斜邊柱及大門斜柱豎向傳力交匯點樓層施工模擬如圖4所示。

圖4 大門斜邊柱及大門斜柱豎向傳力交匯點樓層施工模擬圖

由圖4可知：應(yīng)力值在大門斜邊柱中上部達(dá)到最大值，約為3.43 MPa；位移變形量在大門斜邊柱頂端達(dá)到最大值，約為0.51 mm；大門斜柱豎向傳力交匯點樓層處施工模擬分析發(fā)現(xiàn)應(yīng)力值在首層外框斜柱頂端達(dá)到最大值，約為4.9 MPa；位移變形量在樓板層外框鋼梁與次梁交匯點處達(dá)到最大值，約為3.62 mm。

外框架斜交網(wǎng)格密集區(qū)(2層)施工模擬如圖5所示。

圖5 外框架斜交網(wǎng)格密集區(qū)施工模擬圖

由圖5可知：在樓板次梁上應(yīng)力達(dá)到最大值，約為16.06 MPa，位移達(dá)到最大值，約為4.34 mm。

外框架斜交網(wǎng)格中密區(qū)(15層)施工模擬如圖6所示。

圖6 外框架斜交網(wǎng)格中密區(qū)施工模擬圖

由圖6可知：在外框斜柱頂端應(yīng)力達(dá)到最大值，約為89.95 MPa，位移達(dá)到最大值，約為7.74 mm。

3 結(jié)論

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50017-2017可知，鋼結(jié)構(gòu)梁的撓度變形限值為L/400，其中L為梁的跨度，則X網(wǎng)格的變形限值為13.125 mm，兩個區(qū)域的變形限值分別為：密集區(qū)15.75 mm，中密區(qū)31.5 mm，斜交網(wǎng)格柱為Q390鋼材，其設(shè)計強(qiáng)度為350 MPa。

由施工模擬所得到的分析應(yīng)力云圖和分析變形云圖結(jié)果可知：第一層(包括夾層)的X網(wǎng)格懸空柱安裝模擬分析得最大應(yīng)力為11.06 MPa<350 MPa,最大位移為2.41 mm<13.125 mm，均沒有超過規(guī)范所要求的限值，所以第一層(包括夾層)處即使沒有橫梁與外框架斜交網(wǎng)格相連，在施工時斜交網(wǎng)格也不會產(chǎn)生破壞；大門斜邊柱以及大門斜柱豎向傳力交匯點樓層處施工模擬分析所得最大應(yīng)力為4.9 MPa<350 MPa,最大位移為3.62 mm；外框架斜交網(wǎng)格密集區(qū)域第2層施工模擬分析所得最大應(yīng)力值為16.06 MPa<350 MPa,最大位移為4.34 mm<15.75 mm；外框架中密區(qū)域第15層施工模擬分析所得最大應(yīng)力值89.95 MPa<350 MPa，最大位移為7.74 mm<31.5 mm。

從以上分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形在兩個區(qū)域都沒有超過相關(guān)規(guī)范所要求的限值，即在施工過程中增加臨時支撐是合理的，并且具有安全性，無須進(jìn)行相關(guān)的加強(qiáng)措施，同時也給同類型建筑在施工過程中增加臨時支撐提供了理論依據(jù)。