某超高層框架-核心筒結構施工模擬分析

王秀泉

（中國聯合工程有限公司，杭州 310052）

1 引言

超高層建筑施工過程中，受結構自重、施工荷載、混凝土收縮、徐變等問題的影響會產生一定的豎向變形。該豎向變形及不同構件變形差將導致建筑標高、層高與結構設計值存在一定的差異，出現附加內力。另外，在豎向荷載作用下，結構中柱、墻、筒等豎向構件會因為承受的豎向力不同，導致豎向變形不同，進而產生較大的豎向變形差。混合結構由于采用了2 種不同材料，這種變形差異將進一步加大。豎向變形差對結構構件和非結構構件均有不利影響，嚴重時會導致結構破壞影響使用。

2 工程概況

本項目位于杭州市蕭山區，地上塔樓為一幢56 層超高層，結構大屋面高度246.8m，停機坪高度256.20m，幕墻構架頂標高264.00m，建筑效果圖見圖1。整個場地設有滿鋪的3 層地下室，地下室底板標高為-13.400m。建筑平面為正方形，平面尺度為42m×42m，采用鋼框架-混凝土核心筒結構體系。

圖1 建筑效果圖

3 施工模擬分析模型的建立

3.1 有限元模型的建立

結合本工程施工實際情況，通過Midas Gen 建立結構的有限元模型（見圖2），進行施工全過程分析。分析時采用施工精確模擬分析方法僅考慮結構自重以及施工荷載對結構的影響，同時考慮施工過程中樓層找平、混凝土強度發展、收縮徐變等因素的影響。

圖2 結構模型

3.2 計算假定

進行施工精確模擬確定結構在施工中的受力及變形狀態采用以下假定：

1）結構逐段或逐層施工，混凝土達到一定強度后再拆除模板，結構自身承力；

2）下部已施工樓層的荷載對上部未施工樓層受力沒有影響，上部樓層變形作為荷載施加在下部樓層上，結構變形是疊加的；

3）結構基礎整體性良好，結構地基基礎的沉降是均勻的，結構構件的豎向變形不受基礎沉降的影響。

3.3 計算依據及理論

有關混凝土的收縮徐變模式和計算方法很多，當前國內外常用的模式主要有：CEB-FIP 模式、B3 模式、ACI-209 模式等。其中，CEB-FIP 模式是歐洲混凝土協會（CEB）和國際預應力混凝土協會（FIP）1978 年建議的，為我國交通部公路預應力混凝土橋梁設計規范（1985）所采用。它采用滯后彈性變形（可恢復的徐變）與塑性變形（不可恢復的徐變）相加的徐變系數表達式，并將塑性變形分為初始流變和延遲塑性變形2 部分。

本文通過 Midas Gen 軟件，采用 CEB-FIP 模型【1】考慮混凝土材料的時變特性，進行全過程施工模擬分析。

由于在施工過程中，結構只承受自身重力及施工中的荷載，其他荷載影響較小。本文建模過程匯總施工中荷載主要包括：結構自重以及施工活荷載。其中，施工荷載考慮結構及施工特性取為 2.5kN/m2【2】。

4 施工模擬分析結果

4.1 鋼管混凝土柱分析結果

框架角柱和邊柱分別采用一次加載和施工模擬分析所得的豎向彈性變形量對比見圖3 和圖4。施工模擬分析時，框架柱的變形沿結構高度呈現出魚腹狀變化趨勢，豎向位移的最大值出現在中部樓層，其中角柱變形峰值為44.5mm，邊柱變形峰值為46.8mm；按一次加載分析時，不考慮施工找平調整，框架柱的豎向變形沿結構高度不斷增大，最大變形發生在結構頂部，其中，角柱變形峰值為93.5mm，邊柱變形峰值為101.2mm。

圖3 角柱豎向變形量計算結果對比

圖4 邊柱豎向變形量計算結果對比

4.2 核心筒分析結果

主體結構施工完成時，核心筒在收縮、徐變及恒荷載作用下豎向變形的影響曲線見圖5。各工況下豎向變形趨勢相同，均在36 層附近達到豎向變形峰值，頂部及底部樓層變形相對較小。從峰值大小看，恒荷載產生的變形最大（32.1mm），徐變效應次之（13.1mm），收縮效應影響最小（2.5mm），三者累積最大變形和為47.7mm。

核心筒自開始施工至完成施工后5a 內累計收縮變形量見圖6。施工完成時，由于施工階段找平影響，底部早已開始收縮，頂部剛剛澆搗，因此，收縮變形沿樓層接近于魚腹狀曲線。使用階段隨著時間的推移，收縮效應引起的豎向位移峰值所在的樓層逐步上移，由施工結束時對應的36 層，1a 后上升至頂層。5a 后收縮引起的豎向變形峰值由2.5mm 增加至16mm。

圖5 施工完成各工況下核心筒豎向變形

圖6 核心筒樓累計收縮變形

核心筒自開始施工至完成施工后5a 內累計徐變變形量見圖7。使用階段隨著時間的推移，收縮效應引起的豎向位移峰值所在的樓層逐步上移，由施工結束時對應的36 層，5a 后上升至48 層。徐變引起的豎向變形峰值也由13.1mm 增加至23.9mm。

核心筒自開始施工至完成后5a 內累計豎向變形（彈性+收縮+徐變）見圖8。可見，徐變效應和收縮效應在開始階段引起的變形都增長較快，但隨時間變形速率逐漸減小。雖然使用階段，隨著時間的推移，徐變效應和收縮效應引起的豎向位移峰值所在樓層逐步上移，但總的豎向變形仍呈魚腹狀曲線，總的豎向變形峰值由47.7mm 增加至64.9mm。

圖7 核心筒樓累計徐變變形

圖8 核心筒樓累計總豎向變形

4.3 框架柱與核心筒變形差分析結果

表1 為考慮結構收縮、徐變效應施工模擬，以及恒荷載作用下鋼管混凝土柱與核心筒豎向變形差計算結果，可見施工完成時框架柱與核心筒之間存在變形差，并且隨著時間的推移，變形差會加大。

5 結語

本文通過對一幢超高層施工過程數值模擬，分析了該超高層混合結構豎向變形規律，得到以下結論：

1）一次性加載的一般分析并不能反映超高層結構的豎向變形規律，需要進行施工過程數值模擬，才能得到與實際一致的豎向變形結果。

表1 墻柱豎向變形差比較 mm

2）在施工完成時，核心筒的豎向變形均以彈性壓縮變形及混凝土的徐變為主，收縮變形所占比例相對較小。

3）隨著時間的推移，徐變效應和收縮效應引起的豎向位移峰值所在樓層逐步上移，但總的豎向變形仍呈魚腹狀曲線。

4）施工完成時，框架柱與核心筒之間存在變形差，并且隨著時間的推移，變形差會加大，設計中需要考慮變形引起的附加內力。