超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)施工模擬分析

趙 陽 （華東建筑設(shè)計研究總院，上海 200002）

1 引言

超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)的框架柱與核心筒的豎向應(yīng)力水平差別較大，因此，框架柱與核心筒間存在著較大的豎向變形差[1]。混凝土自身存在收縮現(xiàn)象，而且在荷載作用下會發(fā)生徐變。而混凝土的收縮徐變對墻、柱的壓縮變形有很大的影響。因此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工模擬時，應(yīng)包括混凝土收縮和徐變變形。

因此，對于超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)分析框架與核心筒考慮彈性壓縮、收縮、徐變影響的豎向變形差，以避免這種變形差異帶來的不利影響。

2 工程概況

本工程為一幢超高層塔樓，共79層，5F～44F為辦公區(qū)，46F～61F為公寓式酒店，66F～78F為酒店；建筑高度（大屋面）為349.7m，塔冠頂高為417.7m；地下室4層，地下四層建筑標(biāo)高-20.300m；地上總建筑面積為22.6萬m2。塔樓立面采用切削、收分的手法，形成對稱的幾何“鉆石”造型，各層平面輪廓均隨立面變化。建筑效果圖見圖1。

圖1 建筑效果圖

塔樓低區(qū)采用帶加強(qiáng)層的框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，其中框架由鋼管混凝土直柱、斜柱和外周鋼框架梁組成；塔樓高區(qū)采用帶加強(qiáng)層的框架-支撐鋼結(jié)構(gòu)體系，其中框架由鋼管混凝土柱、鋼柱和鋼框架梁組成。

3 施工模擬分析模型的建立

3.1 塔樓施工模擬及收縮徐變

塔樓結(jié)構(gòu)主要屋面的高度為349.7m，整體結(jié)構(gòu)施工過程較長，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件在施工過程中的受力及變形狀態(tài)與彈性分析不同。同時，由于框架柱與核心筒應(yīng)力水平的不同，在豎向作用下會產(chǎn)生不同的軸向壓縮量。核心筒、外框柱之間的不均勻變形對結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)根據(jù)實際的施工方案進(jìn)行專門研究。

本文采用MIDAS GEN V8.0對塔樓豎向荷載作用下（考慮收縮與徐變的影響）長期豎向變形進(jìn)行計算分析，研究該結(jié)構(gòu)長期豎向變形規(guī)律。

3.2 計算假定

①不考慮材料彈塑性性能，假定材料在彈性范圍內(nèi)工作；不考慮結(jié)構(gòu)核心筒墻內(nèi)鋼骨與鋼筋的影響；材料彈性模量、泊松比按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010）和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017）取用；

②將首層底板作為結(jié)構(gòu)的嵌固端；

③不考慮壓型鋼板剛度影響，樓面簡化為混凝土截面一次成型；

④在施工模擬計算模型中，鋼管混凝土外框柱采用聯(lián)合截面進(jìn)行模擬計算。

3.3 計算依據(jù)及計算理論

①收縮徐變按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JGJD62-2004）[3]計算。

②抗壓強(qiáng)度隨時間的變化按歐洲CEB-FIP規(guī)范[4]計算。

3.3.4 計算參數(shù)

MIDAS GEN V8.0軟件[5]主要計算參數(shù)如下：

①時間依存性材料（收縮和徐變）：《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JGJD62-2004）

收縮開始時的混凝土齡期：3d

環(huán)境相對濕度：70%

水泥種類系數(shù)：5（普通混凝土）

②時間依存性材料（抗壓強(qiáng)度）：CEB-FIP規(guī)范

水泥類型：N，R：0.25（普通水泥）

3.4 施工方案

施工模擬計算基于以下施工時間假定：

核心筒7天一層，外框架7天一層，五層為一個施工階段，同樓層的核心筒比對應(yīng)的外框架提前一個施工階段，即核心筒開始第十層施工時，外框架開始第五層施工，依次類推。結(jié)構(gòu)地面以上建設(shè)時間共為539天。

3.5 分析荷載及組合

在施工模擬計算中，綜合考慮了結(jié)構(gòu)自重、施工階段恒荷載、施工階段活荷載，荷載組合系數(shù)均采用1.0。

4 豎向變形分析結(jié)果

基于上述假定，研究考慮彈性壓縮、收縮及徐變的外框柱與核心筒墻體之間的變形差異。考慮塔樓的對稱性，如圖2所示，選取四對觀測點(diǎn)進(jìn)行對比分析。

圖2 塔樓徐變測點(diǎn)示意圖

首先對施工完成時，外框柱及核心筒墻肢的豎向變形進(jìn)行了對比分析。由于施工完成兩年后，混凝土的收縮徐變基本穩(wěn)定，因此還對比了構(gòu)件在施工完成兩年后的豎向變形。

4.1 施工完成后外框柱豎向變形分析

下面分別給出了各樓層4根框架柱的豎向變形，由計算結(jié)果可知：

在施工完成時，彈性壓縮變形及混凝土的徐變幾乎組成了觀測點(diǎn)的軸向總變形，而收縮占總變形的比例相對較小。以中間樓層（52F）為例，彈性壓縮變形約為總變形的61%左右，而混凝土徐變約為總變形的28%。

考慮施工模擬影響，外框柱各樓層的總變形先是隨著樓層的增加而變大，在中間樓層處達(dá)到最大值，之后隨著樓層增加其變形減小。

圖3 施工完成后外框柱變形

4.2 施工完成后核心筒墻肢豎向變形分析

下面分別給出了各樓層4個觀測點(diǎn)處墻肢的豎向變形，由計算結(jié)果可知：

施工完成時，彈性壓縮變形及混凝土的徐變之和幾乎等于軸向總變形，收縮變形所占比例相對較小。以中間樓層（52F）為例，彈性壓縮變形約為總變形的49%左右，而徐變約為總變形的41%；

由各觀測點(diǎn)計算結(jié)果可知，核心筒墻肢隨樓層變化規(guī)律同外框柱相似。。

圖4 施工完成后墻體變形

4.3 施工完成兩年后外框柱豎向變形分析

圖5 施工完成兩年后外框柱變形

下面分別給出了各樓層4根框架柱的豎向變形，包括了彈性壓縮變形，以及混凝土的收縮和徐變。由計算結(jié)果可知：

與施工完成時相比，在施工完成兩年后，以中間樓層（52F）為例，總變形約增加了4%左右，變化很小。

施工完成兩年后外框柱總變形隨樓層變化規(guī)律同施工完成時相似。

4.4 施工完成兩年后核心筒墻肢豎向變形分析

下面分別給出了各樓層4個觀測點(diǎn)處墻肢的豎向變形，包括了彈性壓縮變形，以及混凝土的收縮和徐變。由計算結(jié)果可知：

與施工完成時相比，在施工完成兩年后，墻體總變形增加明顯，其中混凝土徐變變形增加比較顯著，而收縮變形也有所增加。以中間樓層（52F）為例，總變形約增加了19%，彈性壓縮變形約為總變形的41%，而徐變約為總變形的44%，收縮約為15%；

施工完成兩年后核心筒墻肢總變形隨樓層變化規(guī)律同施工完成時相似。

圖6 施工完成兩年后墻體變形

4.5 施工模擬外框柱與核心筒墻體位移差分析

下面分別給出了各樓層4個觀測點(diǎn)處外框柱與核心筒墻肢的豎向總位移差，由圖表可知：

圖7 各觀測點(diǎn)外框柱與核心筒墻體總位移差

與施工完成時相比，在施工完成兩年后，外框柱與核心筒墻肢的豎向總位移差增大，且總體上，隨樓層增高，位移差增大。

5 結(jié)語

本文以一棟超高層塔樓為工程背景，著重分析與研究了超高層建筑在豎向重力荷載作用下，框架柱與核心筒墻體之間的變形差異問題，得到了以下結(jié)論：

①在施工完成時，框架、核心筒墻體的豎向變形均以彈性壓縮變形及混凝土的徐變?yōu)橹鳎湛s變形所占比例相對較小；

②在施工完成兩年后，框架與施工完成時相比，豎向總變形變化很小；核心筒墻體總變形增加明顯，其中混凝土徐變變形增加比較顯著，而收縮變形也有所增加。

③在施工完成時、施工完成兩年后，框架、核心筒墻體的總變形隨樓層變化規(guī)律是相似的，各樓層的總變形先是隨著樓層的增加而變大，在中間樓層處達(dá)到最大值，之后隨著樓層增加其變形值減小。

④與施工完成時相比，在施工完成兩年后，外框柱與核心筒墻肢的豎向總位移差增大，且總體上，隨樓層增高，位移差增大。