基于時變效應的超高層結構施工過程與建成初期豎向變形分析

朱 江

(華東建筑設計研究院有限公司,上海 200070)

0 引 言

某超高層結構的塔樓地上62層、地下3層(局部設一夾層),總高度為309.5 m,典型平面長度為56 m,寬度為40 m,地下室埋深為18.5 m。地下室層高由下而上分別為3.9 m、4.8 m、3.0 m、3.3 m,地上1～2層層高分別為12.0 m、6.0 m,其上除設備層第21層、第42層層高為7.5 m外,其余層高均為4.5 m。塔樓采用框架(鋼管混凝土柱+鋼梁)-鋼筋混凝土核心筒-伸臂桁架混合結構體系。該塔樓為高度超限的高層建筑[1-2]。

傳統的結構設計方法僅對使用階段的結構在不同工況及其組合作用下的效應進行分析,結構一次性建模,整體一次性加載,并沒有考慮施工過程和時間效應的影響。實際上,在整個結構施工過程中結構是一個時變體系,結構的材料參數、幾何參數、荷載邊界條件都隨施工進程而改變,結構竣工狀態的內力和變形也是各施工步效應的積累結果。尤其是大型超高層結構,施工周期較長,豎向變形受施工過程和時間效應影響較大,僅按傳統的分析方法進行變形分析不能準確地反映實際情況,因此有必要對施工過程進行跟蹤模擬,并對結構施工過程中的豎向變形規律進行研究。

1 施工步驟及施工模擬分析方法

本塔樓施工模擬分析采用韓國MIDAS公司編制的MIDAS Gen 2014版程序。計算過程采用考慮時間依存效果(累加模型)的方式,預定施工方案中假設基本施工速度為7d/層,外框滯后核心筒區域10層開始施工,伸臂合龍時間滯后一個加強區,即第一道伸臂合攏時間為施工至第二道伸臂所在區域框架,第二道伸臂合攏時間為施工至屋面伸臂所在區域框架。整個施工過程共分為73個施工步驟,施工過程中的恒載及活載直接考慮今后的使用荷載。混凝土材齡時間為3 d,混凝土材料特性中考慮依賴時間的收縮、徐變及強度增長。該塔樓施工模擬分析各階段模型圖如圖1所示。

核心筒剪力墻以混凝土結構為主,忽略核心筒剪力墻內鋼骨對收縮和徐變效應的影響,在施工模擬中計入筒體在荷載作用下的彈性變形,并同時考慮混凝土材料的收縮和徐變對結構內力及變形的影響。鋼管混凝土柱中的核心混凝土由于被鋼管包裹,基本處于密封狀態,避免了水分的流失,同時外圍鋼管限制了混凝土的橫向變形,導致混凝土處于多軸應力狀態,這種多軸應力作用限制了混凝土的自由徐變。另外,鋼管和混凝土間的應力重分配導致了混凝土的應力松弛,從而減少了混凝土的徐變。因此本塔樓外框柱不考慮材料收縮徐變的影響,僅計算鋼管混凝土柱的彈性變形。

圖1 塔樓施工模擬分析各階段模型圖Fig.1 Model diagram of construction simulation analysis of the tower in various stages

目前國際上廣泛采用的收縮徐變模型主要有B3[3]、CEB-FIP[4]、ACI209[5]等模型,國內《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTGD 62—2004)[6]中提供了混凝土通用徐變系數理論計算公式,這些計算模型大都屬于經驗公式或者半理論半經驗公式。上述計算模型中僅B3模型考慮了構件濕度擴散的尺度效應,因此相對于已有的試驗數據結果而言,B3模型精確度最高,CEB-FIP模型其次,而ACI209模型計算結果與試驗數據相差較大。本次施工模擬分析采用的MIDAS Gen軟件未包含B3模型,所以采用相對較準確的CEB-FIP預測模型進行計算分析。

本次計算框架柱豎向變形選取外圍12根鋼管混凝土框架柱逐一計算,核心筒的豎向變形通過分布在筒體四周的8個計算點的平均值進行描述,具體分布點詳見圖2。根據塔樓擬定的施工順序方案及材料收縮徐變的特點,進行三種工況的計算分析:①結構施工完成時;②結構施工完成后1年;③結構施工完成后2年。

圖2 計算點選取Fig.2 Selections of the calculation points

2 施工模擬結果及分析

2.1 框架柱施工模擬結果及分析

圖3是框架柱施工完成時的豎向彈性變形值。從圖3可以看出各柱豎向彈性變形均呈現出中部最大、上下部最小的現象。這種變形特征是符合結構實際變形規律的,因為上部框架柱承受的軸力逐漸變小,由其引起的變形也越來越小,而底部的框架柱雖然承受的荷載最大,應變也最大,但是高度小,累積效應產生的變形也就小。從圖3可以看出豎向變形最大的樓層位置位于36層,最大變形值為29.5 mm,同時由于核心筒兩端在100 m及200 m處分別有收進,所以角柱的變形值大于邊柱的變形值,右側角柱的變形值大于左側角柱的變形值。邊柱的最大豎向變形值23.0～24.6 mm,角柱的最大豎向變形值28～29.5 mm。

圖3 框架柱施工完成時的彈性豎向變形值Fig.3 Elastic vertical deformation of the framed columns at the completion of construction

2.2 核心筒施工模擬結果及分析

圖4為核心筒在施工完成時、施工完成后1年及施工完成后2年的樓層豎向變形曲線。核心筒的豎向變形由三部分組成,分別為彈性變形、徐變變形和收縮變形。其中彈性變形為瞬時受力變形,不隨時間的變化而變化,其變化規律與框架柱變形規律基本相似。核心筒彈性變形最大數值為26.6 mm,樓層數位于35層。

核心筒的徐變效應在結構開始施工時就已開始產生,在施工期間(約1年4個月)徐變效應的增長速率是最快的,施工完成時最大累積徐變變形值為13.9 mm,發生最大累積徐變變形值的樓層數為36層。施工完成1年后的最大累積徐變變形值為17.5 mm,發生最大累積徐變變形值的樓層數上移至42層。施工完成2年后最大累積徐變變形值為19.4 mm,樓層數依然為42層。從以上分析結果來看徐變效應在施工階段最為明顯,隨著時間推移效應逐漸減弱,一般在施工完成后2年趨于穩定。徐變效應引起的核心筒豎向變形峰值位置也隨著時間的推移從結構中部逐漸上移。

核心筒的收縮變形在總變形的成分中占有的比例最小,在施工完成時最大收縮變形值為2.2 mm,施工完成后1年及2年時的最大收縮變形值分別為4.5 mm、6.7 mm。其變形規律基本呈現底部小上部大的趨勢,底部結構由于最先完成,收縮變形值已發生大半,后續新增產生的豎向變形很小,中上部結構施工完成的時間較晚,其收縮變形值隨著時間的推移仍有繼續發展的趨勢。

綜上所述,核心筒結構在施工完成時、完成后1年及完成后2年時總的最大豎向變形值分別為42.7 mm、47.6 mm、50.4 mm,發生樓層數分別為36層、37層、38層,收縮和徐變產生的效應依次占有的比例為37.8 %、44.2%、47.2%。由此可見,對于超高層建筑收縮和徐變導致的核心筒豎向變形是不可忽視的重要因素,且隨著時間的推移越來越明顯。

圖4 核心筒樓層豎向變形曲線Fig.4 Vertical deformation curves of each floor of the core tube

2.3 外框與核心筒之間的豎向變形差

根據以上分析可以推算出外框與核心筒之間的豎向變形差異,外框采用12根框架柱的彈性變形平均值與核心筒的變形進行比較,結果如圖5所示。

由圖5可知,外框與內筒之間的最大豎向變形差異值在施工完成時、完成后1年及完成后2年時分別為18.1 mm、24.1 mm及28.2 mm,峰值發生的樓層數分別為42層、54層及54層。其中42層為第二道伸臂所在區域,因此該道伸臂應待塔樓施工完成后進行合龍,盡可能減小由豎向構件之間的變形差異引起的附加內力。

圖5 外框與核心筒之間的豎向變形差Fig.5 The vertical deformation difference betweenthe outer frame and the core tube

2.4 外框與核心筒之間的內力重分配效應

根據上述分析得知核心筒與外框在施工階段及使用階段存在豎向變形差異,豎向變形差異必然導致由于水平構件追求協調而引起兩者之間軸力的內力重分配。表1為框架柱在一次性加載工況、施工完成時、施工完成后1年及施工完成后2年時的軸向力計算結果對比,荷載為設計使用恒載和活載。

由表1可知,框架柱考慮施工模擬且考慮核心筒收縮徐變影響后,所得的軸向力數值與按一次性加載模式計算相比有一定程度的增加,數值差異隨著時間的延長逐漸加大。根據最后一列比值可以看出底部樓層差異相對較小,隨樓層數的增加軸力差值基本呈逐漸增大的趨勢,這與核心筒收縮徐變效應引起的豎向變形變化趨勢是有關的。因為核心筒收縮徐變效應越明顯,則本身受到的軸力也越來越小,“失去”的軸力就通過水平構件轉移到外框上。表2為核心筒在一次性加載工況、施工完成時、施工完成后1年及施工完成后2年時的軸向力計算結果對比。從結果來看混凝土的收縮徐變對剪力墻的軸力影響是隨著時間及樓層的高度逐漸增大,在頂部10層左右影響最大,基本為一次性加載模式計算結果的85%左右。此部分剪力墻的軸力減少對墻肢的抗剪承載力有一定程度的消弱,需加強頂部核心筒剪力墻的水平鋼筋。對中底部的剪力墻應通過適當增加墻體豎向鋼筋配筋率的措施來減小混凝土收縮徐變的影響。

表1不同加載模式框架柱軸力結果對比

Table 1 Comparison of the calculated axial force of the framed columns under different loading modes

表2不同加載模式核心筒軸力結果對比

Table 2 Comparison of the calculated axial force of the core tube under different loading modes

3 結 論

(1) 根據施工模擬分析可知,外框柱之間的豎向變形差異遠小于核心筒與外框柱之間的豎向變形差異,因此,外框架柱之間的外框梁內力受影響較小。施工時核心筒超前外框的樓層數應盡量多,應待核心筒完成盡量多的收縮徐變后再施工外框柱。連接外框與核心筒之間的伸臂構件應盡量延遲安裝。連接核心筒與外框柱之間的樓面梁在施工階段應采用鉸接連接,以釋放施工階段較大的豎向變形差異。頂部核心筒剪力墻應適當加大水平鋼筋,中底部核心筒剪力墻應控制豎向鋼筋配筋率不宜過小。

(2) 由于內筒和外框架之間存在一定的收縮徐變差異,對于非結構的構件如填充墻、幕墻等應避免采用脆性材料剛性連接,應采用具有良好的彈性和韌性的填充材料與結構構件進行連接。

(3) 在混凝土材料的配合比方案設計中,應兼顧混凝土強度、耐久性、體積穩定性、工作性、環保性和經濟性的綜合要求,通過多目標優化設計確定最佳混凝土配合比,嚴格控制混凝土的體積穩定性,減小收縮徐變的不利影響。

(4) 核心筒因后期混凝土收縮徐變產生豎向壓縮變形,可能會使下部樓層的層高有一定的減小。該問題不但影響非結構構件,還會影響到需要嚴格控制層高標準的電梯的使用,因此在施工階段應采用適當的補償技術修正建筑的樓面標高,使得最終的樓面標高與設計標高相一致。