高層混凝土框架-核心筒結構豎向變形差數值分析

　　處于施工期間的混凝土框架一核心筒結構是一個邊界條件、結構剛度、幾何形狀、材料性能等不斷變化的時變結構體系，而且結構豎向受力構件(柱和剪力墻)的變形包括混凝土的彈性變形、收縮和徐變。考慮上述條件和有限元軟件的實現程度，采用SAP2000建立計算施工期結構豎向變形的有限元模型進行分析。
　　1　工程概況
　　中山國際金融中心工程由中國建筑第五工程局有限公司承建。地下室二層為人防、局部功能房以及停車場，一至六層為商用、高級影院，休閑娛樂場所，宴會廳及酒店會所等，七層為避難層，七層以上兩棟塔樓分別為高級辦公樓及五星級酒店。總用地面積28973m²，總建筑面積307／m²，其中地下面積為42038.1m²，總建筑高度為209m。建筑的設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度，其中框架和剪力墻抗震等級為一級。結構形式為混凝土框架一核心筒結構，塔樓外圍柱為勁性H型鋼鋼筋混凝土柱，基礎采用沖孔灌注樁。
　　
　　2　高層混凝土框架一核心筒結構施工過程的模擬計算
　　目前高層結構考慮施工過程的模擬計算方法主要由兩種：荷載分層疊加法和施工階段疊加法。荷載分層疊加法的原理是一次形成整體結構，然后分層施加荷載，將各層施加荷載對結構的變形(節點位移)進行線性疊加，最后得到整體結構的變形(整體結構的節點位移)。但該方法一次形成整體剛度矩陣，這與實際施工過程不相符。本文采用施工階段疊加法進行分析。施工階段疊加法以每一層為一個施工段，反映了建筑的整個施工過程，并且考慮了每層施工完畢后的施工找平因素的影響，與建筑實際形成過程比較相符。
　　采用施工階段疊加法對結構進行分析，結構變形示意見圖1。
　　
　　3　模擬分析模型
　　3.1材料定義
　　根據工程實際，采用SAP2000中的concrete材料定義4個強度等級的混凝土：C60、C50、C40、C300利用SAP2000中concrete材料基于時間屬性的定義模塊，采用CEB-FIP90模式定義混凝土材料抗壓強度、抗壓彈性模量、收縮和徐變的依時變化模型。
　　采用SAP2000中的Rebar材料模塊定義鋼筋材料。
　　采用SAP2000中的stee1材料模塊定義Q345型鋼材料。
　　3.2單元選擇
　　梁和柱采用框架單元。SAP2000中框架單元使用一般的三維梁一柱公式，包括雙軸彎曲、扭轉、軸向變形、雙軸剪切變形效應，可以滿足計算要求。核心筒剪力墻和樓板采用殼單元，可以同時考慮平面內和平面外的剛度。
　　3.3模型簡化
　　為了準確的分析計算施工過程中結構的豎向變形，建立了平面結構與實際工程一致的高42層的空間模型。對模型進行合理的簡化，以節省資源，簡化數值分析的過程。
　　3.3.1施工荷載的簡化
　　施工過程中施工活荷載對結構豎向構件變形產生的影響很小，因此在進行模擬分析時，不考慮施工活荷載的作用，只考慮結構自重作用。
　　3.3.2模板支撐的簡化
　　在建模分析時，通過賦予新澆筑混凝土5天的初始齡期來替代臨時模板支撐體系的作用，簡化建模過程和計算過程。
　　3.3.3樓板的簡化
　　進行有限元模型分析的目的是得出混凝土框架一核心筒結構在施工過程中豎向受力構件的變形發展規律，因此適當簡化樓板混凝土的基于時間屬性定義，即不考慮樓板混凝土材料的時變特性。
　　3.3.4其他簡化
　　工程施工過程中，結構的變形受到環境因素的影響，如濕度、溫度、日照等。為簡化模型，建模時未考慮環境因素的影響。
　　3.4分析工況定義
　　SAP2000中的非線性階段施工分析采用施工階段疊加法原理進行模擬施工過程中結構的受力變形分析。將模型按照一個結構層作為一個施工階段進行分組，共42組。根據實際的施工周期，第1～7階段施工持續時間設為15天，第8～42階段施工持續時間設為5天，并賦予新澆筑混凝土5天的初始齡期。
　　4　模型計算結果分析
　　
　　結構主體部分的梁板結構保持不變，型鋼混凝土桂的橫截面從底層到42層保持不變，為1200×2400mm，混凝土剪力墻厚度的變化見表1，同一層樓的柱與剪力墻的混凝土強度等級相同。當施工周期保持不變時。可以認為施工過程是一個均勻加載的過程。
　　根據SAP2000的模擬分析結果，取43層梁板結構施工完成時的數據，將第N層梁板結構處柱與剪力墻節點豎向位移差作為第N-1層豎向變形差繪制圖2。
　　從圖2可以看出，柱一剪力墻豎向變形差最大的樓層是21層和22層。隨著混凝土剪力墻厚度的減小，柱與剪力墻的軸壓比之差變小，造成第9～23層豎向變形差的增長速率小于第1～8層的增長速率；第24～37層豎向變形差的減小速率大干第9～23層的增加速率；第38～42層豎向變形的減小速率大于第24～37層的減小速率，因此混凝土柱一剪力墻豎向變形差曲線出現了三次轉折點。
　　為考慮施工周期對結構豎向變形差的影響，設定以下工況進行分析：工況1與工程實際施工周期相同；工況2施工周期為5天；工況3施工周期為10天；工況4在與工況3總施工期相同的情況下，1～10層施工周期為5天，11～31層施工周期為15天，32～42層施工周期為5天；工況5在工況4的基礎上進行調整，1～21層施工周期為15天，22～42層施工周期為5d。分析結果如圖3所示。
　　從圖3可以看出，工況2和工況3的豎向變形差曲線重疊，說明單純的放大施工周期對施工期間的豎向變形差影響很小，可以忽略；工況3、工況4和工況5施工期相同，但是工況4和工況5的豎向變形差的小于工況3，說明合理的安排施工周期，可以減小施工期內結構的豎向變形差。
　　5　結語
　　本文利用有限元程序SAP2000對混凝土框架－核心筒結構施工期間的豎向變形狀態進行了模擬分析。通過對模擬結果分析可以得出：
　　最大豎向變形差發生在21層和22層，即結構的中部位置。混凝土剪力墻厚度的減小，造成柱與剪力墻軸壓比之差減小，豎向變形差隨之減小。分析了減小剪力墻厚度和施工周期對結構豎向變形差的影響，指出：減小剪力墻厚度提高了剪力墻的軸壓比，增大剪力墻的豎向變形，可以大幅度的減小豎向變形差。合理的安排施工周期，可以減小施工期間結構的豎向變形