單向收進(jìn)超高層結(jié)構(gòu)施工期水平變形實(shí)測(cè)研究*

王華平，林忠和，馬 俊

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

0 引言

超高層結(jié)構(gòu)在施工過程中的水平變形會(huì)嚴(yán)重影響施工質(zhì)量，甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的受力特性，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全。因此，針對(duì)超高層結(jié)構(gòu)在施工階段的水平變形開展研究，有利于提升超高層結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量、設(shè)計(jì)和施工水平，確保結(jié)構(gòu)在施工和使用階段的安全性，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于數(shù)值分析，在超高層結(jié)構(gòu)施工階段的豎向變形研究方面已經(jīng)取得了大量研究成果[2-7]。華建民等[8]采用埋入式振弦式應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)了某幢209m超高層結(jié)構(gòu)型鋼柱和剪力墻在施工期的豎向變形，結(jié)果表明，14d齡期后結(jié)構(gòu)豎向變形接近線性。梁富華等[9]采用水準(zhǔn)儀對(duì)南海榮耀國(guó)際金融中心進(jìn)行了結(jié)構(gòu)施工期間豎向變形監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，對(duì)于超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)，考慮了混凝土徐變和收縮的實(shí)測(cè)變形差比彈性計(jì)算變形差小約70%。羅文[10]對(duì)天津周大福進(jìn)行了豎向變形監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，考慮基礎(chǔ)沉降后，上部樓層豎向變形并不大，但下部樓層豎向變形明顯增大。蔣方云[11]采用表面應(yīng)變計(jì)對(duì)某超高層建筑進(jìn)行了豎向變形監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，核心筒超前施工層數(shù)越多，徐變收縮發(fā)展越充分，墻體豎向位移越大，但這一因素對(duì)框架柱的影響恰好相反。

目前，針對(duì)超高層結(jié)構(gòu)水平變形的研究還較少，超高層結(jié)構(gòu)水平變形實(shí)測(cè)研究還比較匱乏。但對(duì)于核心筒單向收進(jìn)的超高層結(jié)構(gòu)，由于其特殊的體形，呈現(xiàn)核心筒收進(jìn)方向受力較大、相反方向受力較小的特點(diǎn)。該類結(jié)構(gòu)在施工期間，隨著結(jié)構(gòu)的增高，在不均勻豎向荷載作用下，塔樓中部會(huì)產(chǎn)生明顯的水平變形。因此，為了提高施工質(zhì)量，確保結(jié)構(gòu)安全，需對(duì)單向收進(jìn)超高層結(jié)構(gòu)開展施工階段水平變形實(shí)測(cè)，得到單向收進(jìn)超高層結(jié)構(gòu)施工階段的水平變形規(guī)律。

1 工程概況

某單向收進(jìn)超高層建筑占地面積7 030m2，總建筑面積278 000m2，其中地上247 000m2，地下31 000m2。 塔樓部分為90層，結(jié)構(gòu)高度為428m，連屋頂幕墻構(gòu)架高度達(dá)445m。塔樓核心筒豎向分3次向北收進(jìn)，收筒樓層分別為49，72層。核心筒在49層以下為9宮格，49層南側(cè)內(nèi)收4 050mm變?yōu)?宮格，56～61層核心筒南側(cè)為斜墻，內(nèi)收3 000mm，72層核心筒進(jìn)一步內(nèi)收變?yōu)?宮格。整體效果如圖1所示，部分樓層平面如圖2所示。

圖1 某寫字樓效果

圖2 核心筒部分樓層平面

數(shù)值模擬結(jié)果表明：在49層施工前，塔樓水平變形不明顯；從49層開始向上施工時(shí)，在不均勻豎向受力的作用下，塔樓中高部樓層發(fā)生較明顯的水平變形。在結(jié)構(gòu)49層以下施工時(shí)，由于核心筒并未收進(jìn)，豎向荷載較均勻，引起的水平變形較?。划?dāng)施工至49 層以上時(shí)，特別是施工至74 層以上時(shí)，由于核心筒向北收進(jìn)明顯，在不均勻受力作用下，結(jié)構(gòu)水平變形急劇增加。因此，根據(jù)施工模擬結(jié)果制定了相應(yīng)的實(shí)測(cè)方案，得到結(jié)構(gòu)在不同施工時(shí)期的水平變形及其規(guī)律。

2 實(shí)測(cè)方案

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)合塔樓整體測(cè)量需求和特點(diǎn)，水平變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于結(jié)構(gòu)第19M，31M，44，58，63，66，68，71M，74，75，84，85層，共132個(gè)水平變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。以第19M，74層為例，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面分別如圖3，4所示。

圖3 第19M層監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖4 第74層監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 實(shí)測(cè)方法及內(nèi)容

水平變形實(shí)測(cè)采用全站儀三維變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)未遮擋的外框鋼柱和核心筒監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)。

1)通過2個(gè)控制點(diǎn)分別對(duì)西、南側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；東北角及東南角4個(gè)控制點(diǎn)分別對(duì)東、北、南側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；西北角及西南角2個(gè)控制點(diǎn)分別對(duì)西、北、南側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2)當(dāng)結(jié)構(gòu)施工至一定部位時(shí)，部分樓層外框鋼柱和核心筒會(huì)受遮擋，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用內(nèi)控法，使用外框樓板4個(gè)角點(diǎn)控制點(diǎn)，如圖 5所示。然后再分別對(duì)1～6 號(hào)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每次使用內(nèi)控法對(duì)外框鋼柱和核心筒遮擋部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，內(nèi)控制點(diǎn)均進(jìn)行一級(jí)導(dǎo)線閉合，以減小誤差。水平位移是該監(jiān)測(cè)點(diǎn)后期監(jiān)測(cè)的坐標(biāo)與初始坐標(biāo)值之差。

圖5 第19M層樓板內(nèi)控網(wǎng)控制點(diǎn)布置

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

3.1 水平位移沿高度方向的變化

至2020 年1 月12 日，共監(jiān)測(cè)了30期。第30期的核心筒角點(diǎn)(以角點(diǎn)1為例)在不同樓層處的水平位移沿樓層高度的變化情況如圖6所示，東西向水平位移向東為正、向西為負(fù)，南北向向北為正、向南為負(fù)，下同。由圖6可知，結(jié)構(gòu)主要方向(南北向)水平位移大約在第58層以上突然增大，在第68層處達(dá)到最大值，并在第71M層發(fā)生方向突變，樓頂部的南北向水平位移約為68.75mm(向北)。結(jié)構(gòu)東西向水平位移在第44，63，68層位置發(fā)生方向突變，樓頂部東西向水平位移約為62.95mm(向西)。

圖6 核心筒角點(diǎn)1在不同樓層處的水平位移變化

3.2 收進(jìn)位置樓層平均水平位移隨時(shí)間的變化

收進(jìn)位置第71M層處的核心筒和外框柱在各監(jiān)測(cè)時(shí)段的平均水平位移如圖7所示(圖中虛線數(shù)據(jù)為監(jiān)測(cè)期數(shù)，下同)。由圖7可知，核心筒從第12期開始有水平位移，方向與結(jié)構(gòu)收進(jìn)方向一致；在第27期，東西向水平位移達(dá)到最大值，約為72.18mm(向東)，此時(shí)南北向水平位移約為28.61mm(向南)；在第23期南北向達(dá)到最大值，約為66.36 mm(向北)，此時(shí)東西向水平位移約為5.91mm(向東)。

圖7 第71M樓層核心筒、外框柱在各監(jiān)測(cè)時(shí)段的平均水平位移變化

外框柱從第21期開始有水平位移，方向與結(jié)構(gòu)收進(jìn)方向相反；在第30期向東和向南的水平位移同時(shí)達(dá)到最大值，分別約為76.81，69.22mm。向北的水平位移最大值發(fā)生在第26期，約為19.96mm。

3.3 收進(jìn)位置樓層各測(cè)點(diǎn)水平位多隨時(shí)間的變化

收進(jìn)位置第71M層處各水平位移測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖8所示。至2020 年1 月12 日，各測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線如圖9所示。

圖8 第71M樓層水平位移測(cè)點(diǎn)編號(hào)

圖9 第71M 層各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移時(shí)程曲線

1)核心筒1號(hào)測(cè)點(diǎn)整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為向東北方向運(yùn)動(dòng)，向東最大水平位移為94.37mm，向北最大位移為82.19mm。

2)核心筒3號(hào)測(cè)點(diǎn)整體趨勢(shì)為從西北向東南運(yùn)動(dòng)，向西和向北方向水平位移同時(shí)達(dá)到最大值，約為37mm，向東和向南方向水平位移也同時(shí)達(dá)到最大值，約為44mm。

3)核心筒6號(hào)測(cè)點(diǎn)整體趨勢(shì)為從東北向東南方向運(yùn)動(dòng)，向東最大水平位移為98.36mm，向北最大水平位移為64.94mm，向南最大水平位移為52.69mm。

4)外框柱7號(hào)測(cè)點(diǎn)整體趨勢(shì)為向東北運(yùn)動(dòng)，向北最大水平側(cè)位為19.05mm，向東最大水平位移為83.43mm。

5)外框柱9號(hào)測(cè)點(diǎn)整體趨勢(shì)為向東南運(yùn)動(dòng)，向東最大水平位移約為75.05mm，向南最大水平位移約為67.89mm。

6)外框柱12號(hào)測(cè)點(diǎn)整體趨勢(shì)也為向東南運(yùn)動(dòng)，向東最大水平位移約為78.87 mm，向南最大水平位移約為77.89mm。

7)外框柱14號(hào)測(cè)點(diǎn)整體趨勢(shì)為向東北運(yùn)動(dòng)，向東最大水平位移約為51.47mm，向北最大水平位移約為58.75mm。

4 結(jié)語

1)結(jié)構(gòu)南北向水平變形大約在第58層以上突然增大，在第68層處達(dá)到最大值，并在第71M層發(fā)生方向突變，樓頂南北向最大水平位移約為68.75mm(向北)；結(jié)構(gòu)東西向水平位移在第44，63，68層位置發(fā)生了方向突變，樓頂東西向最大水平位移約為62.95mm(向西)。

2)根據(jù)71M層平均水平位移，核心筒水平位移方向與結(jié)構(gòu)收進(jìn)方向一致，核心筒水平位移最大值約為72.18mm(向東)和66.36 mm(向北)；外框柱水平位移方向與結(jié)構(gòu)收進(jìn)方向相反，水平位移最大值約為76.81mm(向東)和69.22mm(向南)。

3)單向收進(jìn)超高層結(jié)構(gòu)在施工階段的水平變形方向與核心筒收進(jìn)方向一致。