基于桁架內力控制的混合結構豎向變形補償方法研究

夏 飛 伍小平 李 兵 嚴再春

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

超高層建筑的設計使用壽命為50 a甚至100 a，在豎向荷載的長期作用下會產生較大的豎向變形?；旌辖Y構豎向構件的截面和材料特性等不相同，所分配的荷載亦不盡相同，從而在其間產生豎向變形差，如型鋼混凝土巨型柱和鋼筋混凝土核心筒之間。當豎向構件間的差異變形較大時，將會在聯系巨柱和核心筒的桁架層間貯存較大附加內力。周緒紅等[1]通過多種補償方案的比較，提出鋼框架-鋼筋混凝土核心筒體系豎向變形差異的樓層優化補償方案。傅學怡等[2-3]提出在施工中對豎向構件適當預留以補償預計的豎向構件變形的設計理念與方法，實現在設定階段豎向構件達到設計標高。Park[4]在Fintel分析結果的基礎上，提出了對豎向變形差異進行優化補償的方法。

本文從控制混合結構桁架層間內力的角度，結合考慮桁架層兩側的豎向差異變形允許值、桁架層封閉時間以及豎向補償值有效性等影響因素，實現桁架層內貯存的內應力最小，使結構受力處于安全狀態。

1 桁架層封閉時機與補償值的時效性

如何釋放與控制桁架層間的次內力，設計與施工人員想了許多辦法，最為常見的有以下2種辦法：

1）在確保結構整體性、安全性的同時，盡可能晚地封閉結構各區段桁架層。通常，桁架層封閉時間越早，由于桁架層兩側巨型柱和核心筒之間的豎向變形尚未穩定，將在桁架層內部產生較大的次內力；反之，桁架層封閉時間越晚，桁架層兩側豎向變形趨于穩定，桁架層內部貯存的次內力將較小。

2）調整巨柱與核心筒間的差異變形量值，控制桁架層兩側的最終變形量，進而有效減小桁架層內部的次內力。

因桁架層封閉后，桁架兩側差異變形引起桁架間內力，無法通過調整巨柱、核心筒間的差異變形來減小桁架間內力。為此，文中計算分析桁架層封閉前桁架兩側的豎向變形值，并對兩側的差異量值予以補償。

2 豎向變形補償方法

在整個超高層混合結構施工期間，桁架層封閉時機的優化選擇以及核心筒、巨柱豎向變形補償值的設定對結構次內力的控制相當重要。為此，這里依據混合結構各區段桁架計算的內力值，繪制了巨柱、核心筒豎向變形補償量的分析流程圖（圖1）。

圖1 補償值流程

2.1 桁架兩側差異變形允許值

首先，根據設計控制的桁架層間內力的大小，判斷連接桁架兩側核心筒、巨柱的最大豎向差異變形允許值。其次，可依據JGJ 3—2015《高層建筑混凝土結構技術規程》要求，連接桁架兩側的核心筒、巨柱豎向變形允許值為l/400。

2.2 桁架封閉時機

一般來說，混合結構的桁架層，封閉越晚，其次內力越小。但是，受施工期結構強度、剛度以及穩定性等因素影響，桁架層過晚封閉可能會使構筑物處于危險狀態。因此，在綜合考慮建筑物施工安全性的前提下，桁架層封閉時間盡可能晚些。

另外，在考慮核心筒、巨柱豎向變形補償方案時，應本著“優先調整桁架層封閉時間，其次對豎向差異補償值適量補償”的思路。

2.3 桁架內力分析

在桁架封閉前，計算巨柱、核心筒各自的豎向變形值，并予以補償分析。分析補償后桁架間內力，確定最終的補償值是否合適。

3 工程算例

上海中心大廈位于上海市浦東新區陸家嘴金融中心區Z3-1、Z3-2地塊，毗鄰金茂大廈和上海環球金融中心。大廈立面形態為由三段圓弧構成的圓倒角三邊形，旋轉上升并均勻縮小，演進為一個平滑光順的非線性扭曲面，形成了大廈獨特的立面造型（圖2）。上海中心大廈是1幢綜合性大型超高層建筑，由超高層塔樓、裙房及地下室建筑組成，塔樓建筑高度632 m，地下5層，地上124層，大樓沿豎向劃分9個區，每個區由2層高的設備層及避難層分隔。

圖2 上海中心大廈

上海中心大廈采用“巨型框架-核心筒-外伸臂桁架”結構體系。在8個加強區域布置6道2層高外伸臂桁架和8道箱形空間桁架，箱形空間桁架和巨柱形成外圍巨型框架。該體系由以下3個部分組成：第1部分為內埋型鋼或鋼板的鋼筋混凝土核心筒；第2部分為由8根巨柱、4根角柱（僅布置在地下室及1～5區）、8道2層高的箱形空間桁架（位于各區設備層）組成的巨型框架；第3部分為6道2層高連接上述兩者的外伸臂桁架，分別位于2、4、5、6、7、8區的設備層。豎向構件巨柱及核心筒的基本參數如表1所示。

上海中心大廈施工周期長，巨柱、核心筒豎向差異變形，使桁架層間貯存較大的次內力。以大廈4區為例（圖3），根據混合結構豎向變形補償流程，分步驟對該區段核心筒、巨型柱的豎向補償值進行分析。

3.1 豎向差異變形允許值及桁架層封閉時間

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》的要求，核心筒、巨柱間的間距為7 900 mm，兩者豎向差異變形允許值為19.75 mm。

表1 巨柱、核心筒基本參數

圖3 4區桁架結構平面示意

桁架層封閉時間受混凝土強度、筒體剛度以及結構整體穩定性等因素影響，在綜合考慮建筑物的施工工藝要求及安全性前提下，各區桁架最晚封閉時間為：施工至4區桁架層，封閉2區桁架層；施工至5區桁架層，封閉4區桁架層；施工至6區桁架層，封閉5區桁架層，依此類推。

3.2 巨柱、核心筒補償值分析

依據結構施工工序，運用數值方法對4區桁架封閉時以及結構完成時構筑物的豎向變形進行了施工過程模擬分析（表2、圖4）。

表2 豎向構件變形量

按既定的桁架封閉方案，4區桁架層封閉時，核心筒、巨柱差異變形量δ11為14.36 mm〔圖4（c）〕?？梢?，封閉4區桁架層前，核心筒、巨柱豎向差異變形量有效補償值為14.36 mm。

圖4 豎向構件變形示意

3.3 區段補償后桁架內力分析

桁架兩側豎向差異補償后桁架內力分析，采用延后封閉桁架兩端豎向變形差異值與補償后計算的桁架兩端豎向變形差異值等效的思路，即以延后封閉桁架計算得到內力值等效補償后桁架的內力值。

采用該方法，上海中心大廈4區桁架兩側差異變形經補償后，桁架間內應力有相應減小（圖5）。

圖5 4區桁架應力變化示意

結構施工完成時，核心筒、巨柱豎向變形不進行補償，4區桁架內的斜腹桿應力值為41 MPa；補償后，斜腹桿應力值為16.4 MPa，比豎向變形不補償時應力減小60%左右。

4 結語

1）從控制桁架間內力的角度，給出了混合結構的豎向差異變形的補償流程。

2）采用延后封閉桁架兩端豎向變形差異值與補償后計算的桁架兩端豎向變形差異值等效的思路，分析差異變形補償后桁架間的內力。

3）以上海中心大廈4區為例，分析了該區段巨柱、核心筒的補償值，并探討了補償前、后桁架間的內應力，說明采用該豎向變形補償方法將顯著改善桁架間內力。