某超高層建筑結構構件在變形作用下的內力監測與分析

張學臣 楊 迪

(中鐵建設集團有限公司南寧分公司,廣西 南寧 530000)

某超高層建筑結構構件在變形作用下的內力監測與分析

張學臣 楊 迪

(中鐵建設集團有限公司南寧分公司,廣西 南寧 530000)

為了研究某超高層建筑結構構件在變形作用下的反應，對3個關鍵構件在不同時期的內力發展情況進行了監測與分析,研究結果表明，豎向構件內力、聯系鋼管混凝土柱與核心筒的鋼筋混凝土框架梁的內力和聯系鋼管混凝土邊柱與鋼管混凝土角柱的框架梁的內力均在預期設計中得到考慮，并采取了措施，能夠達到所設定的性能目標，所采用的分析方法可為類似超高層結構構件在變形作用下的內力分析提供參考。

變形作用，內力分析，超高層建筑

0 引言

超高層建筑結構構件類型較多、數量較大，在各向變形作用下的內力發展情況十分復雜，是該類建筑結構設計的重點，部分學者對此開展了研究[1-5]。為了評估某超高層建筑在豎向變形作用下的內力分布情況，運用有限元軟件Midas/Gen分別對豎向構件、聯系鋼管混凝土柱與核心筒的鋼筋混凝土框架梁和聯系鋼管混凝土邊柱與鋼管混凝土角柱的框架梁三類關鍵構件在不同時期的內力分布情況進行了監測和分析；結果表明，通過對各關鍵構件采取措施，其性能可達至預期設計目標。

1 工程概況

廣西九洲國際大廈位于南寧市瑯東新區，地下6層，地上71層，裙樓9層，建筑總高度301.6 m，總建筑面積約21.43萬m2，采用鋼管混凝土柱框架—鋼筋混凝土核心筒結構和鋼筋混凝土梁板樓蓋。為滿足建筑立面造型及平面使用功能的要求，西側兩根φ1 500×35鋼管混凝土角柱在地下1層通過兩根φ1 100×25鋼管混凝土斜撐轉換為兩根φ1 100×22鋼管混凝土柱，東側兩根φ1 450×32鋼管混凝土角柱通過兩根φ1 050×25鋼管混凝土斜撐轉換為兩根φ1 050×22鋼管混凝土柱，斜撐—柱轉換采用倒三角型自平衡受力體系，利用900×950×50×25焊接鋼箱梁平衡鋼管混凝土斜撐的推力。

2 分析原理

2.1 結構設計軟件采用的模擬施工方法

目前，國內常用結構設計軟件在計算結構恒荷載時，一般有兩種對施工次序的考慮方式：模擬施工1和模擬施工3。模擬施工1采用一次集成整體剛度、分步加恒載的模型，模擬施工3采用了分層剛度分層加載的模型；本工程在進行結構初步設計時采用的是模擬施工3的計算方法，施工模擬3考慮施工找平和分層加載，相對一次加載和模擬施工1的計算模型更符合實際情況。

2.2 仿真施工模擬基本方法

采用的仿真施工模擬方法為正裝分析法(又稱前進分析法)。

2.3 Midas/Gen施工階段模擬計算模型

工程的Midas/Gen施工階段模擬模型采用累加模型進行計算，即在每個施工階段內輸入已經變化的結構體系或荷載進行分析，然后把結果累加到前一階段分析結果中，最后輸出總結果。

3 分析對象

通過Midas/Gen建立有限元模型，對廣西九洲國際項目塔樓進行施工階段仿真分析后得到各個構件的豎向變形與內力，選取了外框架鋼管混凝土柱、核心筒及與其相連框架梁進行數據統計、分析。其中柱1、柱2分別為貫通全塔樓的鋼管混凝土邊柱，柱3為1層～34層的鋼管混凝土角柱，墻1、墻2分別為柱1、柱2對應位置的核心筒墻肢。

4 構件內力情況及分析

鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土核心筒之間的豎向變形差異使聯系柱與核心筒的水平構件產生附加內力，同時也導致豎向構件內力重分布。長期荷載作用下，混凝土的收縮及徐變性能，導致豎向構件產生豎向變形，使豎向構件間的變形差異發生改變，從而也導致結構的變形與內力隨時間而變。

4.1 豎向構件內力

4.1.1 鋼管混凝土柱的內力

塔樓范圍內的所有鋼管混凝土柱各階段時的軸力如圖1所示，圖2線形含義同圖1。

施工完成時，塔樓范圍內的所有鋼管混凝土柱底部的軸力總和為1 026 521 kN；結構封頂2年時為1 047 377 kN。結構封頂2年時的柱軸力比施工完成時大20 856 kN，約2.0%。

4.1.2 鋼筋混凝土核心筒的內力

塔樓范圍內所有鋼筋混凝土核心筒各階段時的軸力如圖2所示。

施工完成時，塔樓范圍內的所有鋼筋混凝土核心筒底部的軸力總和為1 593 511 kN；結構封頂2年時為1 573 860 kN。結構封頂2年時的核心筒軸力比施工完成時小19 601 kN，約1.2%。

4.1.3 豎向構件內力計算結果分析

由以上數據可看出，徐變導致的結構豎向變形差異，使豎向構件內力重分布，鋼管混凝土柱的收縮徐變效應較小，而核心筒的收縮徐變效應大。鋼管混凝土柱軸力隨著結構變形差的減小而增大，核心筒軸力隨著結構變形差的減小而減小，但變化量不大。在徐變收縮效應下，鋼管混凝土柱軸力的增大量與核心筒軸力的減小量相等。

4.2 聯系鋼管混凝土柱與核心筒的鋼筋混凝土框架梁的內力

4.2.1 鋼筋混凝土框架梁1柱邊梁端彎矩

施工模擬3與仿真施工模擬各階段，在各樓層中，聯系鋼管混凝土柱1與核心筒墻1的鋼筋混凝土框架梁(梁1)，在柱邊的梁端彎矩整理如圖3所示，圖3線形含義同圖4。

從圖3可以看出，鋼筋混凝土框架梁在柱邊的梁端彎矩沿高度由于墻柱變形差異而向右偏移(正彎矩增大)，各施工階段中，在柱邊的最大梁端正彎矩出現在結構封頂后剛剛施加長期恒活荷載的時候，隨著時間的推移，鋼管混凝土柱與核心筒間的變形差異減小，柱邊梁端正彎矩逐漸減小，柱邊梁端負彎矩逐漸增大。

4.2.2 鋼筋混凝土框架梁1墻邊梁端彎矩

施工模擬3與仿真施工模擬各階段，在各樓層中，聯系鋼管混凝土柱1與核心筒墻1的鋼筋混凝土框架梁，在墻邊的梁端彎矩整理如圖4所示。

從圖4可以看出，鋼筋混凝土框架梁在墻邊的梁端彎矩沿高度由于墻柱變形差異而向左偏移(負彎矩增大)，各施工階段中，在核心筒墻邊的最大梁端負彎矩出現在結構封頂后剛剛施加長期恒活荷載的時候。隨著時間的推移，鋼管混凝土柱與核心筒間的變形差異減小，核心筒墻邊梁端負彎矩逐漸減小。

4.2.3 聯系鋼管混凝土柱與核心筒的鋼筋混凝土框架梁的內力計算結果分析

施工模擬3計算方法由于不考慮徐變收縮效應，而墻柱變形差異隨著徐變收縮變形增大而減小，因此會在很大程度上高估了墻柱之間的變形差異，由此計算得出的由墻柱變形差引致的梁彎矩絕對值偏大。

由圖3和圖4可以看出，在計算柱邊的梁端彎矩時，施工模擬3的計算得出的中部樓層正彎矩偏大，而對于下部樓層及上部樓層梁端負彎矩計算值則偏小較多，在計算墻邊的梁端彎矩時，施工模擬3的計算得出的負彎矩偏大。上述特點，在本工程結構設計中已認真考慮，并采取措施，保證結構安全。

4.3 聯系鋼管混凝土邊柱與鋼管混凝土角柱的框架梁的內力

4.3.1 鋼筋混凝土框架梁3柱2端梁端彎矩

施工模擬3與仿真施工模擬各階段，在各樓層中，聯系鋼管混凝土柱2與鋼管混凝土柱3的鋼筋混凝土框架梁3，在柱2端的梁端彎矩整理如圖5所示，圖5線形含義同圖6。

從圖5可以看出，鋼筋混凝土框架梁3在柱2端的梁端彎矩沿高度由于墻柱變形差異增大而向右偏移(正彎矩增大)，并在徐變效應影響下正彎矩持續增大。

4.3.2 鋼筋混凝土框架梁3柱3端梁端彎矩

施工模擬3與仿真施工模擬各階段，在各樓層中，聯系鋼管混凝土柱2與鋼管混凝土柱3的鋼筋混凝土框架梁3，在柱3端的梁端彎矩整理如圖6所示。

從圖6可以看出，鋼筋混凝土框架梁3在柱3端的梁端彎矩沿高度由于墻柱變形差異增大而向左偏移(負彎矩增大)，并在徐變效應影響下負彎矩持續增大。

4.3.3 聯系鋼管混凝土邊柱與鋼管混凝土角柱的框架梁的內力計算結果分析

從圖5和圖6可以看出，鋼筋混凝土框架梁3由于2端豎向變形差異較大，導致產生較大的正負彎矩。施工模擬3由于不準確的施工次序與不考慮徐變收縮，低估了柱與柱之間的變形差異，因此低估了鋼筋混凝土框架梁3的梁端彎矩。

考慮了實際施工次序與徐變收縮后的梁端彎矩計算結果在31層以上超出了該梁的設計承重力。為了控制變形導致的較大彎矩，在施工階段應對靠近頂部位置的鋼筋混凝土框架梁3設置后澆帶以釋放梁端彎矩。

5 結語

1)在本工程中，混凝土的徐變導致的結構豎向變形差異，使豎向構件內力重分布，鋼管混凝土柱軸力的增大量與核心筒軸力的減小量相等。

2)施工模擬3計算方法由于不考慮徐變收縮效應，但實際工程該效應影響不可忽視，因此在設計和施工中應對墻體和柱的變形給予必要的重視。

3)廣西九洲國際項目考慮安全性、合理性、經濟性，選用鋼筋混凝土框架—核心筒結構，采用鋼筋混凝土樓蓋，在各個施工階段，由于邊界條件、受荷情況不同，變形差異引起的聯系鋼管混凝土柱與核心筒間框架梁附加內力也不同；通過施工仿真分析，可知結構構件承載力可滿足各施工階段受力的要求。

[1] Lam J P.Evaluation of concrete shrinkage and creep prediction models[D].San Jose:San Jose State University,2002.

[2] 吳勝發，孫作玉.地基不均勻沉降對上部結構內力和變形的影響[J].廣州大學學報(自然科學版),2005,4(3):261-266.

[3] 孫冬菊.徐變收縮對高層混合結構的豎向變形影響與內力分析[A].第九屆全國現代結構工程學術研討會論文集[C].天津：天津大學，2009:6.

[4] 賈 強，程林林，張 鑫.地基不均勻沉降對框架結構影響的試驗研究[J].土木工程學報,2011,44(11):79-86.

[5] 孟 江，趙寶俊，劉建梅.混凝土收縮徐變效應預測模型及影響因素[J].長安大學學報(自然科學版),2013,33(2):56-62.

Internalforcemonitoringandanalysisofasuperhigh-risebuildingstructureundertheactionofthedeformation

ZhangXuechenYangDi

(NanningBranchCompany,ChinaRailwayConstructionGroupCo.,Ltd,Nanning530000,China)

In order to study the response of a super high-rise building under the action of the deformation, the monitoring and analysis of the internal forces of 3 key components in different periods were carried out. The results show that, the internal force of vertical member, the reinforced concrete frame beam contact concrete filled steel tubular column with core tube and the reinforced concrete frame beam contact concrete filled steel tube side column with concrete filled steel tube corner columns are considered. And take measures to achieve the set performance goals. The analysis method can be used for the analysis of the internal force of the super high rise structure under the action of deformation.

the action of the deformation, internal force analysis, super high-rise building

1009-6825(2017)23-0038-03

2017-06-04

張學臣(1976- )，男，高級工程師

TU311

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