超高復(fù)雜塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒自密實(shí)混凝土澆筑高度研究*

劉曉英，劉 敏，劉曉林，劉 栗

(1.山東青建智慧建筑科技有限公司，山東 青島 266000； 2.山東新中魯建設(shè)有限公司，山東 青島 266000；3.青建集團(tuán)股份公司，山東 青島 266011)

1 工程概況

某塔臺(tái)地上17層，地下2層，建筑高度92.8m，總建筑面積3 346.2m2，塔臺(tái)主樓核心筒為直徑8m的鋼筋混凝土圓筒，高度87.3m。其中，2～13層層高6m，其余層層高3.9～5m。剪力墻厚度包括250，300mm，混凝土外壁尺寸統(tǒng)一，核心筒外置鋼結(jié)構(gòu)螺旋樓梯。塔臺(tái)結(jié)構(gòu)采用的斜交網(wǎng)格外網(wǎng)沿整體結(jié)構(gòu)高度布置，采用交叉鋼管斜柱形成菱形鋼網(wǎng)格。外側(cè)網(wǎng)架鋼管直徑均為350mm，鋼管壁厚隨著高度的增加而遞減，底部鋼管壁厚為25mm，頂部鋼管壁厚為10mm。樓面標(biāo)高處，斜交網(wǎng)格筒每層均設(shè)有環(huán)形梁，每隔6層網(wǎng)格采用水平連接支撐將混凝土核心筒與斜交網(wǎng)格筒連接，環(huán)形梁截面形式采用箱形截面，截面尺寸為500mm×300mm(長(zhǎng)×寬)。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在逆時(shí)針?lè)较虻匿摴苤鶅?nèi)澆筑C50微膨脹自密實(shí)混凝土，澆筑高度控制是施工重點(diǎn)，為此，本文對(duì)澆筑高度進(jìn)行模擬分析，確定最優(yōu)澆筑高度。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

塔臺(tái)主樓為高聳結(jié)構(gòu)，采用斜交網(wǎng)格筒-鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒結(jié)構(gòu)體系，外部斜交網(wǎng)格筒造型復(fù)雜，如圖1所示。

圖1 塔臺(tái)效果

塔臺(tái)結(jié)構(gòu)平面及立面布置如圖2所示，結(jié)構(gòu)所用混凝土均為C50微膨脹自密實(shí)混凝土，鋼材等級(jí)均為Q345C。結(jié)構(gòu)斜交網(wǎng)格筒網(wǎng)架根據(jù)環(huán)梁布置可分為16層，隨著樓層的增加，斜交網(wǎng)格筒斜柱尺寸減小。塔臺(tái)內(nèi)筒采用混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，最外部圓筒剪力墻厚300mm，內(nèi)部圓筒剪力墻厚250mm。斜交網(wǎng)格筒斜柱之間焊接連接，為固接節(jié)點(diǎn)。在剪力墻每層環(huán)梁處設(shè)置預(yù)埋件，用于設(shè)置支撐，使鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒與斜交網(wǎng)格筒協(xié)同工作，支撐兩端鉸接連接。

圖2 塔臺(tái)結(jié)構(gòu)平面及立面布置

由于塔臺(tái)外部斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，利用Midas軟件建模困難，因此本研究首先利用CAD軟件建模，然后導(dǎo)入Midas軟件中進(jìn)行分析。建模時(shí)，首先將鋼外網(wǎng)結(jié)構(gòu)按層劃分截面，建立每層截面模型；然后根據(jù)斜柱螺旋上升規(guī)律，沿著每層截面連線，快速繪制外部斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)，如圖3a所示。

圖3 結(jié)構(gòu)模型

利用Midas軟件進(jìn)行分析時(shí)，外部斜交網(wǎng)格筒采用框架桿件單元模擬，內(nèi)部混凝土筒體采用殼單元模擬(見(jiàn)圖3b)。首先定義所需的材料屬性；然后根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖，定義所需的圓鋼管、內(nèi)灌混凝土鋼管、焊接箱形鋼、焊接H型鋼、混凝土墻板、內(nèi)部桿件等的截面屬性；最后對(duì)模型邊界條件及荷載進(jìn)行定義，包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震作用、地震反應(yīng)譜，抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，確定荷載模式、荷載工況及荷載組合。為保證模型變形不失真，同時(shí)保證運(yùn)算速度，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每根桿件最小段數(shù)為3段，最大段長(zhǎng)為0.5m，單元網(wǎng)格最大尺寸為0.5m×0.5m。

2.2 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置斜交網(wǎng)格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度分別為0，27.7，39.7，45.7，57.7，83.43m。

2.3 結(jié)果分析

在斜交網(wǎng)格筒頂部施加5 000kN的水平側(cè)向集中力，分析頂部位移及結(jié)構(gòu)剛度。對(duì)結(jié)構(gòu)施加風(fēng)荷載及地震作用，分析不同澆筑高度下，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載及地震作用下的變形與受力。

2.3.1混凝土澆筑高度為0m

混凝土澆筑高度為0m時(shí)塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)位移云圖如圖4所示。由圖4可知，塔頂最大位移為0.24m，根據(jù)受力及位移計(jì)算得到結(jié)構(gòu)剛度為2.08×107N/m。

圖4 混凝土澆筑高度為0m時(shí)塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)位移云圖(單位：m)

混凝土澆筑高度為0m時(shí)塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的受力云圖如圖5所示。由圖5可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為1 844.95kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為155.16kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為120.3kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為115.8N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為2 993kN/m，最大應(yīng)力為16.7N/mm2。

圖5 混凝土澆筑高度為0m時(shí)塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的受力云圖

混凝土澆筑高度為0m時(shí)塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力云圖如圖6所示。由圖6可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為749.26kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為74.98kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為44.998kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為46.98N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為1 348kN/m，最大應(yīng)力為7.5N/mm2。

圖6 混凝土澆筑高度為0m時(shí)塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力云圖

2.3.2混凝土澆筑高度為27.7m

由位移云圖可知，混凝土澆筑高度為27.7m時(shí)塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)塔頂最大位移為0.228m，根據(jù)受力及位移計(jì)算得到結(jié)構(gòu)剛度為2.19×107N/m。

由風(fēng)荷載作用下的受力云圖可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為1 929.7kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為150.5kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為146.04kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為122.3N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為2 825.8kN/m，最大應(yīng)力為16.1N/mm2。

由地震作用下的受力云圖可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為790.6kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為74.13kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為54.08kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為49.98N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為1 316.37kN/m，最大應(yīng)力為7.26N/mm2。

2.3.3混凝土澆筑高度為39.7m時(shí)

由位移云圖可知，混凝土澆筑高度為39.7m時(shí)，塔頂最大位移為0.224m，根據(jù)受力及位移計(jì)算得到結(jié)構(gòu)剛度為2.23×107N/m。

由風(fēng)荷載作用下的受力云圖可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為1 966kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為150.5kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為148.5kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為124.6N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為2 823.7kN/m，最大應(yīng)力為15.4N/mm2。

由地震作用下的受力云圖可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為824.5kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為74.2kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為56.4kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為52.1N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為1 317kN/m，最大應(yīng)力為7.27N/mm2。

2.3.4混凝土澆筑高度為45.7m

由位移云圖可知，混凝土澆筑高度為45.7m時(shí)塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)塔頂最大位移為0.222m，根據(jù)受力及位移計(jì)算得到結(jié)構(gòu)剛度為2.25×107N/m。

由風(fēng)荷載作用下的受力云圖可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為1 984.5kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為150.6kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為149.76kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為125.75N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為2 824.2kN/m，最大應(yīng)力為15.4N/mm2。

由地震作用下的受力云圖可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為842.5kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為74.3kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為57.6kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為53.2N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為1 317.8kN/m，最大應(yīng)力為7.27N/mm2。

2.3.5混凝土澆筑高度為57.7m

由位移云圖可知，混凝土澆筑高度為57.7m時(shí)塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)塔頂最大位移為0.22m，根據(jù)受力及位移計(jì)算得到結(jié)構(gòu)剛度為2.27×107N/m。

由風(fēng)荷載作用下的受力云圖可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為2 020.15kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為150.8kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為152.2kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為128N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為2 827.1kN/m，最大應(yīng)力為15.4N/mm2。

由地震作用下的受力云圖可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為878kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為74.5kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為60.07kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為55.48N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為1 320.9kN/m，最大應(yīng)力為7.29N/mm2。

2.3.6混凝土澆筑高度為83.43m

由位移云圖可知，混凝土澆筑高度為83.43m時(shí)塔臺(tái)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)塔頂最大位移為0.218m，根據(jù)受力及位移計(jì)算得到結(jié)構(gòu)剛度為2.29×107N/m。

由風(fēng)荷載作用下的受力云圖可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為2 087.3kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為151.4kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為156.8kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為132.2N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為2 837.8kN/m，最大應(yīng)力為15.3N/mm2。

由地震作用下的受力云圖可知，斜交網(wǎng)格筒最大軸力為945.2kN，出現(xiàn)在底部；最大剪力為75.1kN，出現(xiàn)在底部；最大彎矩為64.7kN·m，出現(xiàn)在細(xì)腰處；最大應(yīng)力為59.7N/mm2。鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒最大內(nèi)力為1 331.6kN/m，最大應(yīng)力為7.35N/mm2。

綜上所述，隨著斜交網(wǎng)格筒單向主斜柱自密實(shí)混凝土澆筑高度的增加，塔臺(tái)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度逐漸增大，當(dāng)混凝土澆筑高度占結(jié)構(gòu)總高度的2/5(39.7m)以下時(shí)，塔臺(tái)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度增加速率較大；當(dāng)混凝土澆筑高度占結(jié)構(gòu)總高度的2/5及以上時(shí)，斜交網(wǎng)格筒抗側(cè)剛度大于鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒抗側(cè)剛度。隨著斜交網(wǎng)格筒單向主斜柱自密實(shí)混凝土澆筑高度的增加，斜交網(wǎng)格筒軸力、應(yīng)力、應(yīng)力比均逐漸增大，當(dāng)混凝土澆筑高度占結(jié)構(gòu)總高度的2/5以上時(shí)，鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒應(yīng)力基本無(wú)變化；當(dāng)混凝土澆筑高度占結(jié)構(gòu)總高度的2/5以下時(shí)，結(jié)構(gòu)受力主要由鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒承擔(dān)；當(dāng)混凝土澆筑高度占結(jié)構(gòu)總高度的2/5以上時(shí)，結(jié)構(gòu)受力主要由斜交網(wǎng)格筒承擔(dān)。

3 結(jié)語(yǔ)

為方便施工，按照結(jié)構(gòu)每層環(huán)梁的布置高度確定斜交網(wǎng)格筒斜柱自密實(shí)混凝土澆筑高度。本文通過(guò)數(shù)值模擬分析了斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)斜柱自密實(shí)混凝土澆筑高度對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、受力及變形的影響，得出以下結(jié)論。

1)當(dāng)斜交網(wǎng)格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度占結(jié)構(gòu)總高度的2/5以下時(shí)，塔臺(tái)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度增加速率較大。

2)當(dāng)斜交網(wǎng)格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度占結(jié)構(gòu)總高度的2/5及以上時(shí)，斜交網(wǎng)格筒抗側(cè)剛度大于鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒抗側(cè)剛度。

3)隨著斜交網(wǎng)格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度的增加，斜交網(wǎng)格筒軸力、應(yīng)力、應(yīng)力比均逐漸增大。

4)當(dāng)斜交網(wǎng)格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度占結(jié)構(gòu)總高度的2/5以下時(shí)，結(jié)構(gòu)受力主要由鋼筋混凝土剪力墻內(nèi)筒承擔(dān)；當(dāng)斜交網(wǎng)格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度占結(jié)構(gòu)總高度的2/5以上時(shí)，結(jié)構(gòu)受力主要由斜交網(wǎng)格筒承擔(dān)。

5)當(dāng)斜交網(wǎng)格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度占結(jié)構(gòu)總高度的2/5時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)、外筒在風(fēng)荷載及地震作用下的受力性能較好，同時(shí)保證了經(jīng)濟(jì)性，因此在本工程中，斜交網(wǎng)格筒單向主斜柱混凝土澆筑高度選為39.7m。