某超高層建筑施工過程豎向變形分析

韓萬鑫 李鴻晶 伍小平 李鑫奎

1. 南京工業(yè)大學(xué) 江蘇 南京 211816；2. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

結(jié)構(gòu)在施工過程中處于時變狀態(tài)，其材料、形狀、荷載以及邊界條件都隨施工階段的發(fā)展產(chǎn)生變化[1]，結(jié)構(gòu)封頂時產(chǎn)生的豎向變形是隨時間不斷累積的結(jié)果。隨著超高層建筑高度的不斷增加，過大的豎向變形會給幕墻、管道、電梯等后續(xù)施工帶來不利影響。因此，豎向變形問題在超高層結(jié)構(gòu)施工中需要重點(diǎn)考慮，能夠準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的豎向變形狀況對結(jié)構(gòu)施工十分關(guān)鍵。目前，已有多位學(xué)者對超高層結(jié)構(gòu)豎向變形進(jìn)行了研究[2]。王曉蓓等[3]對上海中心大廈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)長期豎向變形分析，分別選用了CEB、PCA以及ACI規(guī)范中對混凝土材料特性的定義對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，最終計算得到結(jié)構(gòu)封頂時核心筒豎向變形最大值為70 mm，框架柱豎向變形最大值為57 mm。超高層結(jié)構(gòu)的豎向變形主要由3部分構(gòu)成，分別是彈性變形、收縮變形以及徐變變形。張莉莉等[4]對西安金融中心進(jìn)行施工豎向變形分析研究，其結(jié)果表明在考慮混凝土收縮徐變以及逐層找平的情況下，封頂時結(jié)構(gòu)豎向變形中的收縮徐變部分占比達(dá)到了47.33%～58.59%，各部分占比由大到小分別為彈性變形、徐變變形、收縮變形。此外，對于框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系而言，不同豎向構(gòu)件的材料特性不同，截面尺寸不同，承擔(dān)的豎向荷載不同，導(dǎo)致框架柱和核心筒之間出現(xiàn)豎向變形差異的情況。范峰等[5]使用ANSYS軟件對上海環(huán)球金融中心進(jìn)行施工過程模擬，共劃分了34個施工階段，其結(jié)果表明框架柱與核心筒的豎向差異變形最大值出現(xiàn)在第28施工階段中的53層，達(dá)到了11.91 mm，在結(jié)構(gòu)封頂時，框筒豎向差異變形在29層達(dá)到最大，為4.27 mm。

因此，為了解某超高層建筑在施工過程中的豎向變形發(fā)展情況，使用有限元軟件MIDAS GEN針對不同的施工方案，進(jìn)行塔樓結(jié)構(gòu)的施工過程模擬，獲取結(jié)構(gòu)的豎向變形數(shù)據(jù)，分析其豎向變形規(guī)律。

1 工程概況

某超高層建筑地上結(jié)構(gòu)共59層，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.5 m，整體結(jié)構(gòu)高度為298 m（圖1）。塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，在10層及40層設(shè)置環(huán)帶桁架，以型鋼混凝土框架柱和鋼筋混凝土核心筒共同組成主體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)體系，并作為承重構(gòu)件傳遞豎向荷載[6]。塔樓按樓層共劃分6個區(qū)段，其中一區(qū)（3—9層）型鋼混凝土框架柱尺寸為3.4 m×1.9 m，從二區(qū)開始分叉成2根框架柱，尺寸由1.9 m×1.7 m不斷減小，至六區(qū)（52—59層）時為1.0 m×1.0 m，核心筒墻厚也由底層的1.0 m逐漸縮小為0.4 m。

圖1 建設(shè)中的塔樓

2 計算模型

本文使用MIDAS GEN建立塔樓上部結(jié)構(gòu)模型（圖2），對其進(jìn)行施工過程模擬，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)豎向變形分析時不考慮地下結(jié)構(gòu)的影響，因此，在模型1層底部設(shè)置固端約束。在結(jié)構(gòu)模型中，梁柱結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，核心筒結(jié)構(gòu)采用墻單元模擬，樓板結(jié)構(gòu)采用板單元模擬。其中，豎向構(gòu)件主要尺寸以及材料強(qiáng)度等級如表1所示。

圖2 塔樓模型

表1 豎向構(gòu)件主要尺寸及材料強(qiáng)度等級

2.1 荷載及進(jìn)度計劃

塔樓模型按照實際施工進(jìn)度計劃將施工過程共劃分為23個階段，并采取外框架落后核心筒10層施工，樓板落后外圍框架6層施工，標(biāo)準(zhǔn)層施工周期為5 d，結(jié)構(gòu)施工周期約為500 d。塔樓施工過程的數(shù)值模擬考慮以下荷載情況：結(jié)構(gòu)自重、收縮、徐變。所有荷載均參照施工進(jìn)度施加。

2.2 混凝土收縮徐變模型

模型中所采用的材料強(qiáng)度等級及截面完全參照設(shè)計圖紙。同時，參考CEB-FIP規(guī)范考慮混凝土的強(qiáng)度發(fā)展和收縮徐變作用，以達(dá)到較高的精度[7]。CEB-FIP1990模型中關(guān)于混凝土徐變效應(yīng)的計算表達(dá)式如式（1）所示。

式中：Eci——材齡28 d時混凝土的彈性模量；

3 數(shù)值模擬結(jié)果

為了解塔樓豎向變形在施工過程中的發(fā)展情況，本文考慮不同因素影響，建立了3個施工模擬方案，并對各方案的豎向變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。具體方案如表2所示。

表2 施工模擬方案

3.1 不同模擬方案下的豎向變形對比

框架柱與核心筒在模型中的提取點(diǎn)如圖3所示，分別提取核心筒剪力墻點(diǎn)位A與框架柱點(diǎn)位B在結(jié)構(gòu)封頂時的計算結(jié)果，3種施工模擬方案下的框架柱及核心筒豎向變形情況分別如圖4和圖5所示。方案1中，框架柱豎向變形值最大達(dá)62.53 mm，核心筒的豎向變形值最大達(dá)60.61 mm；方案2中，框架柱豎向變形值最大達(dá)28.66 mm，核心筒的豎向變形值最大達(dá)26.49 mm；方案3中，框架柱豎向變形值最大達(dá)66.58 mm，核心筒的豎向變形值最大達(dá)57.82 mm。

圖3 測點(diǎn)布置

圖4 框架柱豎向變形

圖5 核心筒豎向變形

由圖4和圖5可看出：不同施工模擬方案下，同一結(jié)構(gòu)的豎向變形趨勢不同；在同一施工模擬方案下，核心筒的豎向變形與框架柱的豎向變形發(fā)展趨勢相同。方案1中框架柱和核心筒的豎向變形隨高度的增加逐漸增大，兩者的豎向變形最大值均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂層，其原因是方案1考慮的情況是結(jié)構(gòu)一次成形，荷載一次性加載，施工過程以及混凝土收縮徐變未被考慮，豎向變形只由恒荷載作用下的壓縮變形產(chǎn)生。因此，結(jié)構(gòu)的豎向變形會隨樓層不斷積累，在頂部達(dá)到最大。方案2和方案3中，框架柱與核心筒的豎向變形曲線出現(xiàn)兩頭小中間大的情況，框架柱的最大豎向變形出現(xiàn)在36層左右，核心筒的最大豎向變形出現(xiàn)在40層左右，其原因是這2種方案考慮了施工找平的影響，使每一施工階段的初始標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高一致，前一施工階段中產(chǎn)生的豎向變形已通過找平消除，結(jié)構(gòu)的豎向變形由后續(xù)施工階段中上部樓層自重以及收縮徐變產(chǎn)生，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的豎向變形曲線呈兩頭小中間大的情況。

由計算結(jié)果可知，一次性加載情況下豎向變形規(guī)律及變形值與考慮施工過程的情況相比有較大區(qū)別，不能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件實際變化，因此必須考慮施工過程的影響。

3.2 收縮徐變對豎向變形的影響

由圖4和圖5可看出，方案3在考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)后，相比方案2，結(jié)構(gòu)豎向變形有明顯增大，為準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的豎向變形，在進(jìn)行施工過程模擬時必須考慮收縮徐變對豎向變形的影響。在方案3的情況下，結(jié)構(gòu)各層豎向變形由彈性、收縮以及徐變3部分共同組成。圖6與圖7分別為框架柱與核心筒豎向變形以及各組成部分的比例情況，從圖中可以看出無論是核心筒還是框架柱，在豎向變形中彈性變形所占比例最大，徐變變形次之，收縮變形占比最小。在結(jié)構(gòu)封頂時，以36層為例，在核心筒的豎向變形中，收縮變形約占13.68%，徐變變形約占41.10%，彈性變形約占45.22%；在框架柱的豎向變形中收縮變形約占10.10%，徐變變形約占34.17%，彈性變形約占55.73%?？梢钥闯?，在結(jié)構(gòu)封頂時，無論是核心筒還是框架柱，收縮和徐變變形占總計變形的一半左右。同時，核心筒收縮徐變比例高于框架柱，這是由兩者不同的截面特性、材料特性、承擔(dān)荷載共同導(dǎo)致的，并因此產(chǎn)生豎向差異變形。

圖6 框架柱豎向變形

圖7 核心筒豎向變形

3.3 核心筒與巨柱豎向差異變形

從上述豎向變形情況可以看出，收縮徐變在結(jié)構(gòu)豎向變形中占有較大比例，在進(jìn)行施工過程模擬時，必須充分考慮施工找平以及混凝土的收縮徐變作用。此處選取方案3情況下所得到的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖8給出了核心筒與框架柱豎向差異變形的結(jié)果，可以看出：在方案3的情況下，結(jié)構(gòu)封頂時，下部結(jié)構(gòu)中核心筒豎向變形大于框架柱，差異變形在11層達(dá)到8.57 mm；到中部樓層時，框架柱的豎向變形開始逐漸大于核心筒，差異變形在27層達(dá)到9.97 mm；隨后差異變形逐漸縮小，到頂部時核心筒豎向變形超過框架柱，差異變形達(dá)到10.93 mm。

圖8 框筒豎向差異變形

由于核心筒超前施工，其收縮徐變發(fā)展早于外框架，故下部樓層會出現(xiàn)框架柱豎向變形小于核心筒豎向變形的情況。而在中部樓層，外框架和核心筒除承擔(dān)自重外還承擔(dān)樓板等其他恒荷載，且外框柱承擔(dān)的恒荷載比例更大，由其產(chǎn)生的豎向變形超過了核心筒。最后，上部結(jié)構(gòu)隨著樓層不斷增加，雖然有施工找平等措施控制結(jié)構(gòu)標(biāo)高，但收縮徐變隨時間不斷發(fā)展，其占豎向變形的比例變大，且材料和截面特性決定了核心筒相對于框架柱受收縮徐變的影響更大，因此上部樓層核心筒豎向變形超過框架柱。

4 結(jié)語

由以上分析可知，考慮施工過程所得到的結(jié)構(gòu)豎向變形與不考慮施工過程時有本質(zhì)區(qū)別，不考慮施工過程的模擬方案無法正確預(yù)測結(jié)構(gòu)豎向變形的發(fā)展情況。同時，由于收縮變形和徐變變形在結(jié)構(gòu)豎向變形中占有較大比例，未考慮收縮徐變時的結(jié)構(gòu)豎向變形偏小，對實際施工沒有指導(dǎo)作用。在考慮施工過程與收縮徐變效應(yīng)后，計算得到塔樓框架柱豎向變形值最大為66.58 mm，出現(xiàn)在36層，核心筒豎向變形值最大為57.82 mm，出現(xiàn)在40層，核心筒與框架柱豎向差異變形值最大為10.93 mm，出現(xiàn)在59層。

因此，本塔樓應(yīng)考慮施工過程和收縮徐變效應(yīng)的影響，在施工中結(jié)合數(shù)值模擬，通過采取施工找平、標(biāo)高預(yù)補(bǔ)償?shù)确椒ń档徒Y(jié)構(gòu)的豎向變形，同時削弱核心筒與框架柱的豎向差異變形。