珠海鐵建大廈施工過程豎向變形分析*

林其濤，汪渲淋，王簫童，喬文濤，劉 過

(1.中鐵城建集團第一工程有限公司，山西 太原 030024；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著工程技術(shù)的快速發(fā)展，使用巨型結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代城市超高層建筑越來越多。巨型結(jié)構(gòu)是由大型構(gòu)件(巨型柱、梁、桁架及支撐)組成的主結(jié)構(gòu)和由常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(常規(guī)梁、柱)組成的次結(jié)構(gòu)相結(jié)合并協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系[1]，整體剛度大、體系靈活多樣、施工速度快，具有良好的建筑適應(yīng)性和高效的結(jié)構(gòu)性能[2]。但巨型結(jié)構(gòu)用于超高層建筑時，傳統(tǒng)工程設(shè)計不能有效反映施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的變化歷程，無論在理論上還是在實際應(yīng)用中，均有必要進行施工力學(xué)分析。如何使結(jié)構(gòu)分析結(jié)果更加真實地反映結(jié)構(gòu)建造過程中的力學(xué)狀態(tài)，并保證結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟，是施工力學(xué)分析中的重點[3-5]。通常施工力學(xué)問題研究對象為隧道[6]，對于巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自重與施工過程中的活荷載等豎向荷載分布不均，核心筒抗壓能力比外框架大，在豎向荷載作用下會引起核心筒與外框架的豎向變形差[7]，同時由于此類結(jié)構(gòu)混凝土用量巨大，混凝土收縮徐變也會對核心筒-外框架變形差產(chǎn)生影響[8-11]。本文以珠海鐵建大廈A座辦公樓為例，進行施工過程豎向變形分析，采用一次加載法和施工階段疊加法分別計算并進行對比分析；考慮混凝土收縮徐變并采用施工階段疊加法進行計算；對不同超前施工層數(shù)工況進行計算，并得到工況變化對豎向變形差的影響。

1 工程概況

珠海鐵建大廈A座辦公樓地下3層，地上47層，總高度達226.75m。地上辦公樓部分26層以下為租售辦公，28～46層為總部辦公，地上裙房部分首層、2層為商業(yè)，3，4層為智能立體機械停車庫。A座辦公樓采用鋼-混組合外框-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，周邊共有14根鋼-混凝土柱，5層以上4角各2根為鋼-混凝土柱，中間為混凝土柱，每層鋼梁與剪力墻內(nèi)連接成一體，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。A座辦公樓鋼柱主要為鋼管柱、十字形及H型勁性鋼柱，鋼梁主要為H型鋼梁。

根據(jù)珠海鐵建大廈結(jié)構(gòu)圖紙與施工組織設(shè)計，在有限元軟件MIDAS Gen中進行材料截面設(shè)置，結(jié)構(gòu)鋼材采用Q345鋼，核心筒混凝土梁、樓板地下 1～3 層混凝土強度等級為C40，2～47層為C35；主體結(jié)構(gòu)地下3層至地上22層混凝土強度等級為C60，23～32層為C50，33～47層為C40。結(jié)構(gòu)平面如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面

2 計算模型及方法

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析法是在建成的完整結(jié)構(gòu)上一次性施加結(jié)構(gòu)所要承受的全部荷載，即一次加載法，這種方法有2個缺點：①未考慮豎向構(gòu)件豎向位移差引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化；②忽略了順序施工引起分層加載的影響。在實際施工過程中，結(jié)構(gòu)自重并不是在整個結(jié)構(gòu)完成后一次性施加，而是隨著施工逐層施加，在不同施工階段，結(jié)構(gòu)具有不同的整體剛度[12-13]。大量實際工程表明，一次加載法在工程計算中往往會得到與實際情況相差較大的變形與內(nèi)力結(jié)果。

目前，高層建筑結(jié)構(gòu)施工過程的模擬計算主要采用荷載分層疊加法和施工階段疊加法。荷載分層疊加法一次形成整體結(jié)構(gòu)，再分層施加荷載，將每層施加荷載后結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形(結(jié)點位移)進行線性疊加，得到結(jié)構(gòu)整體變形(整體結(jié)構(gòu)結(jié)點位移)。每個構(gòu)件(單元)結(jié)點位移可由構(gòu)件(單元)局部編號與整體編號的對應(yīng)關(guān)系確定，利用單元剛度矩陣即可求出單元內(nèi)力[14]。施工階段疊加法是將整個施工過程劃分為若干施工段，每個施工段即為1個計算組，每個施工段完成后形成一次剛度矩陣，這樣每次形成的剛度矩陣維數(shù)較上一次會增加，剛度矩陣元素會重組，相應(yīng)的荷載分量和結(jié)點位移向量也會增加。如將1個施工過程劃分為m個施工段，形成m次重組的剛度矩陣。施工階段疊加法雖計算效率較荷載分層疊加法低，但更能反映實際施工過程[15-16]。本文采用施工階段疊加法，利用MIDAS Gen進行模擬分析。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3 結(jié)構(gòu)施工模擬過程

3.1 建模過程及荷載選取

結(jié)構(gòu)梁、柱均采用梁單元模擬，混凝土核心筒剪力墻采用墻單元模擬?？紤]混凝土的收縮徐變，利用MIDAS Gen已有模塊按規(guī)范CEB-FIP(2010)Fib Model Code for Concrete Structures進行定義。本文施工力學(xué)分析僅考慮對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和豎向變形影響較大的荷載，即結(jié)構(gòu)自重(恒荷載)和施工活荷載。結(jié)構(gòu)自重通過單元的體積和密度自動計算，施工荷載取1kN/m2，通過壓力荷載定義。

3.2 施工段劃分

CECS 230：2008《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》指出：鋼框架-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)施工時，核心筒應(yīng)采用超前施工法施工，一般比外框架超前10～14層。我國部分混合結(jié)構(gòu)超前施工法的超前層數(shù)如表1所示。由表1可知，超前層數(shù)一般≥10層，本文取10層。

表1 我國部分混合結(jié)構(gòu)超前施工法的超前層數(shù)

施工模擬時，每個施工階段僅向上施工1層更符合實際情況，但對于超高層建筑施工模擬，計算十分繁瑣，可適當將多層作為1組，每個施工階段向上施工1組多層，這樣既不影響計算精度，又能提高計算效率，現(xiàn)取5層為1組(地上部分)，施工段劃分如表2所示。施工段劃分依據(jù)珠海鐵建大廈施工組織設(shè)計，施工段劃分越密，越接近實際施工速度，得出的結(jié)構(gòu)豎向變形分析越精確，但計算過程也更繁瑣，計算效率較低；簡化施工段劃分，使計算過程得到一定簡化，得出的豎向變形分析精度也能滿足工程要求。

表2 珠海鐵建大廈施工段劃分

4 結(jié)構(gòu)豎向變形分析

對有限元模型進行2種不同計算：①對整體模型進行一次性加載；②采用暫不考慮混凝土收縮徐變影響的施工階段疊加法。為方便說明核心筒剪力墻Q1、外框架柱Z1的位置，選取第5層結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 第5層結(jié)構(gòu)模型

分別采用一次加載法和施工階段疊加法得到結(jié)構(gòu)封頂時的累積豎向變形曲線(豎向變形向下為正)，如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)封頂時Q1,Z1豎向變形曲線

由圖4可知，結(jié)構(gòu)在自重和施工荷載作用下，不考慮混凝土收縮徐變時，采用一次加載法，外框架柱Z1及核心筒剪力墻Q1豎向變形均呈逐層遞增趨勢，在屋頂達到最大；采用施工階段疊加法，外框架柱Z1及核心筒剪力墻Q1的豎向變形均表現(xiàn)為中間層大、頂層和底層較小的特點。說明采用一次加載法計算得到的各層結(jié)構(gòu)豎向變形均大于施工階段疊加法得到的結(jié)果，一次加載法得到的結(jié)構(gòu)頂層核心筒剪力墻Q1及外框架柱Z1豎向變形差為施工階段疊加法結(jié)果的5倍，相差較大。由于施工階段疊加法考慮施工找平，而一次加載法不考慮，因此采用一次加載法結(jié)構(gòu)累積變形隨層數(shù)增加而增大。

考慮混凝土的收縮徐變，采用施工階段疊加法模擬分析得到最終豎向變形的組成，如圖5所示。

由圖5a可知，核心筒剪力墻Q1的各豎向變形均呈中間樓層較大、底部和頂部變化較小的趨勢，在25層左右變形最大。彈性變形在中間樓層占比較大，底部和頂層較??；徐變變形約占總變形的15%～20%；收縮變形在中間樓層占比較小，約25%，在底層和頂層較大，最大處約50%。彈性變形在中間樓層起主要作用，而在底層和靠近頂層的位置，收縮徐變占比較大，甚至超過50%。由圖5b可知，外框架柱Z1各豎向變形在中間樓層較大，在底部和頂層較小，在25層左右變形最大，各變形占比在不同樓層較一致，收縮變形和徐變變形總占比為30%～40%。因核心筒使用了大量高強混凝土，混凝土收縮徐變使核心筒墻體產(chǎn)生較大位移，外框架柱中的高強混凝土也會因收縮徐變效應(yīng)產(chǎn)生一定的豎向變形。

結(jié)構(gòu)豎向變形差隨樓層變化曲線如圖6所示(正值表示外框架柱變形大)。由圖6可知，開始核心筒豎向變形滯后于外框架柱，即不考慮混凝土收縮徐變時，外框架柱豎向變形將一直大于核心筒，結(jié)構(gòu)豎向變形差恒為正值且較大；考慮收縮徐變效應(yīng)后，澆筑大量混凝土的核心筒豎向變形量有所增加，豎向變形差反而開始減小，接近頂層位置豎向變形差值變?yōu)樨撝?，即核心筒豎向變形開始大于外框架柱，豎向變形差反向增大。

圖6 結(jié)構(gòu)豎向變形差隨樓層變化曲線

超前施工法中核心筒超前于外框架層數(shù)不同，對結(jié)構(gòu)豎向變形差影響不同。基于珠海鐵建大廈A座辦公樓有限元模型，選取超前層數(shù)分別為5，10，15層3種工況進行施工模擬分析(考慮收縮徐變)，其他條件不變。不同超前層數(shù)下Q1,Z1豎向變形曲線如圖7所示。

圖7 不同超前層數(shù)下Q1,Z1豎向變形曲線

由圖7可知，核心筒剪力墻Q1、外框架柱Z1均呈中部樓層變形較大、底部和頂層變形較小的拋物線變化趨勢。約25層前，超前層數(shù)為5，10，15層得到的豎向變形較接近，而在25層之上的樓層，豎向變形隨超前層數(shù)的增加而增大，較25層前變化更明顯。超前層數(shù)對外框架柱Z1的豎向變形影響較小。核心筒使用大量高強度混凝土，混凝土收縮徐變帶來的變形效應(yīng)更顯著，超前層數(shù)的變化直接影響核心筒豎向變形，因此對外框架柱的影響較小。

考慮混凝土收縮徐變，核心筒領(lǐng)先外框架5，10，15層時，Q1與Z1的豎向變形差變化曲線如圖8所示。由圖8可知，在約25層內(nèi)，外框架豎向變形大于核心筒，二者變形差呈中部樓層較大、底部和頂層較小的趨勢。隨著核心筒領(lǐng)先外框架層數(shù)增加，二者變形差逐漸縮小為0，且從較高層(約44層)開始，豎向變形差開始再次增大。這很可能是因為隨著超前層數(shù)增加，核心筒豎向變形增大，豎向變形差減小；但當超前層數(shù)增加后，核心筒豎向變形繼續(xù)增加，而外框架豎向變形變化很小，因此變形差縮減為0后再次增大。

圖8 Z1，Q1的豎向變形差變化曲線

5 結(jié)語

1)不考慮混凝土收縮徐變，一次加載法所得結(jié)果為外框架柱與核心筒剪力墻的豎向變形均呈逐層遞增的趨勢，且在頂層達到最大值；施工階段模擬法計算得到外框架柱與核心筒剪力墻的豎向變形中間層數(shù)較大，頂層和底層較?。辉陧攲犹?，一次加載法得到的核心筒剪力墻Q1與外框架柱Z1豎向變形差是施工階段疊加法結(jié)果的5倍。

2)混凝土收縮徐變對核心筒剪力墻及外框架的豎向變形有不可忽視的作用，對核心筒剪力墻的豎向變形影響更大。

3)外框架柱豎向彈性變形一般大于核心筒豎向彈性變形，豎向變形差恒為正；當考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)后，豎向變形差出現(xiàn)反向增大的現(xiàn)象，應(yīng)予以重視。

4)分別對超前層數(shù)為5，10，15層3種情況進行分析，結(jié)果表明，隨著超前層數(shù)增加，核心筒剪力墻豎向變形有所增大，外框架柱豎向變形十分微小。樓層達到一定高度時，隨著超前層數(shù)增加，核心筒剪力墻和外框架的豎向變形差縮小至0后又再次增大。

5)由于超前施工法會影響豎向變形差，在施工時可考慮采用標高控制法，通過增加澆筑混凝土量來削弱變形差的不利影響；超前層數(shù)可考慮10～15層，盡可能減小變形差。