三塔連體超高層結(jié)構(gòu)施工階段豎向變形研究

袁智杰， 孫廣俊， 伍小平， 李鴻晶， 孔 磊

(1. 南京工業(yè)大學(xué) a. 土木工程學(xué)院； b. 工程力學(xué)研究所， 江蘇 南京 211816；2. 上海建工集團股份有限公司， 上海 200080； 3. 廣東博意建筑設(shè)計院有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212426)

超高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模大、施工周期長。施工過程是結(jié)構(gòu)體系動態(tài)變化的過程，其材料屬性、邊界條件、荷載、結(jié)構(gòu)剛度等均會隨著時間發(fā)生改變[1,2]，且施工方法、順序的不同都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力體系發(fā)生變化[3,4]。相較于普通單塔超高層結(jié)構(gòu)，多塔連體超高層結(jié)構(gòu)需要考慮連接體的影響，其時變特性對塔樓的豎向變形影響更加顯著。因此，有必要針對連體超高層結(jié)構(gòu)施工期間豎向變形及其變形規(guī)律進行研究。

工程結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)問題非常普遍[5～10]。目前已有很多單塔超高層結(jié)構(gòu)和少數(shù)雙連體結(jié)構(gòu)的變形研究。陳燦[11]研究了某一混合結(jié)構(gòu)體系的施工期間豎向變形。王化杰等[12]分析了超高層變形規(guī)律及預(yù)調(diào)值計算方法。周緒紅等[13]研究了豎向變形補償對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形的影響。范峰等[14]進行了上海環(huán)球金融中心的豎向變形問題分析。王曉蓓等[15]結(jié)合施工監(jiān)測，研究了上海中心大廈長期的豎向變形。Ma等[16]研究了武漢一對稱雙塔連體結(jié)構(gòu)的變形問題。汪大綏等[17,18]進行了CCTV新臺址的施工模擬及結(jié)構(gòu)分析。

目前，國內(nèi)外尚無針對三塔連體超高層結(jié)構(gòu)施工期間豎向變形的相關(guān)研究。本文以某一非對稱三塔連體超高層結(jié)構(gòu)為工程背景，建立了該結(jié)構(gòu)的精細(xì)MIDAS/Gen有限元模型，分析追蹤其整個施工過程。依據(jù)豎向剛度等效原則，建立了該結(jié)構(gòu)的簡化模型，分析了連體超高層結(jié)構(gòu)的豎向變形及其規(guī)律，并針對塔樓上部結(jié)構(gòu)的后續(xù)施工順序及連廊與塔樓剛接時機的影響進行了討論，為分析該類連體超高層結(jié)構(gòu)施工期間的豎向變形問題提供了參考，具有一定的工程意義。

1 工程概況

1.1 建筑結(jié)構(gòu)

本工程為一大型綜合體，整體結(jié)構(gòu)主要劃分為兩個部分：

(1)塔樓：T1塔樓共76層(高368.05 m)，T2塔樓共67層(高328.05 m)，T3塔樓共60層(高300.05 m)；

(2)連廊：連接三個塔樓的空中連廊位于整體建筑的第43～49層，高度范圍為191.6～232.1 m。

圖1 建筑效果圖

該工程的結(jié)構(gòu)體系詳見表1。

表1 工程結(jié)構(gòu)形式

1.2 施工流程

該工程總體施工路線為：同時施工三棟塔樓至高空連廊處，然后將在裙房頂層已拼裝完成的連廊轉(zhuǎn)換桁架提升至高空，完成補缺，焊接固定，最后同時進行各塔樓上部結(jié)構(gòu)的后續(xù)施工。

其中，連廊由下部轉(zhuǎn)換桁架和外圍連體桁架共同組成。下部轉(zhuǎn)換桁架，呈十字型交叉布置。外圍連體桁架分布于塔樓外圈以及連廊外圈，主要由橫桿、斜腹桿以及外框柱組成。如圖2所示。

此外，根據(jù)本工程的施工方案，施工階段存在一定的基礎(chǔ)沉降，但相較于其他因素其對結(jié)構(gòu)的影響很小，故本文計算不考慮該問題。

2 有限元建模

2.1 精細(xì)化模型的建立

為了較為精確地模擬該三塔結(jié)構(gòu)在施工期間的豎向變形，基于MIDAS/Gen軟件，依據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖，建立包括各塔樓核心筒、外框架柱、樓板、連廊桁架等主要構(gòu)件在內(nèi)的結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型。模型底部采用固接，對結(jié)構(gòu)中部分鋼梁及伸臂桁架采用先鉸接后固接的安裝方式。模型中鋼結(jié)構(gòu)采用梁單元進行模擬；核心筒和樓板分別采用墻單元及板單元模擬；型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)則采用等效截面法建模?；炷潦湛s徐變采用CEB-FIP(1990)本構(gòu)模型。預(yù)設(shè)核心筒領(lǐng)先外框架6層施工，共劃分28個施工階段。

2.2 簡化模型的建立

為了研究三塔連體超高層結(jié)構(gòu)的豎向變形規(guī)律，塔樓上部結(jié)構(gòu)的施工順序及連廊與塔樓的剛接時機對三塔整體變形差異和關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力的影響，考慮到計算效率及對結(jié)構(gòu)力學(xué)本質(zhì)的反映，擬建立該結(jié)構(gòu)的簡化分析模型。

該建筑塔樓的高度與底面積寬度之比較大，軸向剛度對塔樓結(jié)構(gòu)的豎向變形起控制作用，故依據(jù)剛度等效原則，將塔樓結(jié)構(gòu)視為懸臂梁單元桿件，建立簡化模型。對于連廊，將其視為水平梁單元，分別依據(jù)重力和軸向剛度等效原則進行簡化建模。依據(jù)實際工程結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的彈性模量Ei、截面積Ai，建立如下等效原則：

數(shù)值分析模型的隧洞巖體的溫度邊界條件可設(shè)在離隧洞軸線中心徑向2.5D～3D 位置，為減少溫度邊界影響，取5D為溫度邊界；高巖溫洞段有壓圓形隧洞取1#試驗洞直徑3.0 m，圓形隧洞有限元模型尺寸統(tǒng)一為30 m×30 m，有限元網(wǎng)格內(nèi)密外疏，重點關(guān)注支護結(jié)構(gòu)的溫度變化過程，有限元模型見圖1。模型初始溫度為高巖溫巖體的初始溫度值，作為初始設(shè)定邊界條件輸入，溫度邊界條件根據(jù)巖體溫度不同，作為邊界約束條件施加在模型邊界上；前述開挖施工、襯砌施工和空置養(yǎng)護的環(huán)境溫度根據(jù)現(xiàn)場實測取值，取支護結(jié)構(gòu)初始溫度為36℃。

(1)

式中:E,A分別為簡化模型中梁單元的等效彈性模量和等效截面面積。

經(jīng)計算，擬采用40 m×40 m的矩形截面和C60的混凝土分別對塔樓和連廊進行等效簡化模型的建立。建立的精細(xì)化模型和簡化模型如圖3所示。

3 塔樓豎向變形

施工階段塔樓結(jié)構(gòu)的豎向變形主要由彈性變形和收縮徐變組成。依據(jù)MIDAS/Gen有限元分析程序，分別對精細(xì)化模型和簡化模型進行結(jié)構(gòu)豎向變形及其規(guī)律的數(shù)值模擬。

3.1 豎向變形規(guī)律

簡化模型與精細(xì)化模型中各塔樓結(jié)構(gòu)的豎向變形規(guī)律如圖4～6所示。

圖4 塔樓T1豎向變形數(shù)值結(jié)果

圖5 塔樓T2豎向變形數(shù)值結(jié)果

圖6 塔樓T3豎向變形數(shù)值結(jié)果

圖4～6中，橫坐標(biāo)表示塔樓的高度，縱坐標(biāo)表示塔樓的豎向變形，分別反映了在兩種模型下，整體結(jié)構(gòu)竣工時各塔樓在不同高度處產(chǎn)生的豎向變形。需要注意的是，該豎向變形是指原設(shè)計標(biāo)高與竣工后實際標(biāo)高之差?？梢?，由于連廊對塔樓產(chǎn)生附加應(yīng)力的作用，各塔樓的豎向變形趨勢在連廊位置處將產(chǎn)生一個明顯的突變，且最大豎向變形均發(fā)生在連廊部位。塔樓結(jié)構(gòu)的豎向變形主要由彈性變形引起，收縮徐變占總變形的32%～35%。

由于考慮的施工找平效應(yīng)，塔樓上部結(jié)構(gòu)豎向變形呈遞減趨勢。頂層結(jié)構(gòu)因其自身仍然要產(chǎn)生彈性壓縮變形和收縮徐變，故結(jié)構(gòu)頂端豎向變形并不為零。

由于三塔非對稱，故各塔樓的豎向變形值互不相同。T1塔樓結(jié)構(gòu)高度最大，工期最長，故其由于自重產(chǎn)生的壓縮變形和混凝土發(fā)生的收縮徐變均為最大，而T3塔樓的豎向變形最小。

3.2 簡化模型與精細(xì)化模型對比

如圖4～6所示，精細(xì)化模型的各塔樓豎向變形規(guī)律與簡化模型吻合較好，模型中的各塔樓最大豎向變形值如表2所示。

表2 各塔樓最大豎向變形

計算結(jié)果接近，證明該等效簡化模型反映了塔樓結(jié)構(gòu)的力學(xué)本質(zhì)，能夠有效模擬實際結(jié)構(gòu)的豎向變形及其變形規(guī)律，可依據(jù)該簡化模型進一步分析該連體結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力影響因素。

4 上部結(jié)構(gòu)施工順序的影響

為了討論塔樓上部結(jié)構(gòu)的后續(xù)施工順序?qū)φw結(jié)構(gòu)豎向變形及連廊與塔樓連接處構(gòu)件內(nèi)力產(chǎn)生的影響，依據(jù)施工方建議，基于簡化模型，研究了4個工況，如表3所示。

表3 上部結(jié)構(gòu)施工順序工況

對4個工況分別進行數(shù)值模擬，得到各塔樓結(jié)構(gòu)在連廊處相互間的標(biāo)高差，結(jié)果如圖7所示。

圖7 上部結(jié)構(gòu)施工順序?qū)φw結(jié)構(gòu)豎向變形的影響

可見，上部結(jié)構(gòu)的施工順序不同對塔樓整體豎向變形有一定的影響。由于三塔非對稱，T1塔樓最高，T2次之，T3最小，當(dāng)T1塔樓先施工時，將對T1T2、T1T3間的連廊連接處造成一定的豎向變形差異。當(dāng)采用工況2或4的方案，即同步施工或先施工T2完畢后同時施工T1和T3，塔樓整體結(jié)構(gòu)之間變形差異相對較小。

選取連廊與三塔樓連接處單元進行各工況下y軸彎矩My與z軸彎矩Mz分析對比，分別如表4～6所示。發(fā)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)施工順序?qū)B廊與塔樓連接處構(gòu)件內(nèi)力的影響不大。由于非對稱性及三塔耦合效應(yīng)，單獨率先施工某一塔樓的上部結(jié)構(gòu)，并不會增加連廊腋部構(gòu)件的彎矩，誤差均可控制在10%以內(nèi)。綜合考慮整體結(jié)構(gòu)的變形差異、連廊連接處的附加彎矩大小及施工技術(shù)的控制，施工時宜按工況4指導(dǎo)施工。

表4 各施工順序工況對T1塔樓結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

表5 各施工順序工況對T2塔樓結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

表6 各施工順序工況對T3塔樓結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

5 連廊與塔樓剛接時機的影響

基于上述研究，針對工況4，討論連廊與塔樓剛接時機對整體結(jié)構(gòu)豎向變形及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位內(nèi)力產(chǎn)生的影響，依據(jù)簡化模型，研究了3個工況，如表7所示。

表7 連廊與塔樓剛接時機工況定義

對3個工況分別進行數(shù)值模擬，得到各塔樓結(jié)構(gòu)在連廊處相互間的標(biāo)高差，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，連廊與塔樓的剛接時機對整體豎向變形的影響較大。綜合來看，工況1下的連廊處標(biāo)高差相對較大，而工況2和工況3下的標(biāo)高差相對較小。

圖8 剛接時機對整體結(jié)構(gòu)豎向變形的影響

選取連廊與三塔樓連接處的單元進行各工況下y軸彎矩My與z軸彎矩Mz分析對比，分別如表8～10所示。發(fā)現(xiàn)剛接時機對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響很大。由于三塔非對稱，連廊的連接使得原本互相獨立的塔樓形成一個整體，產(chǎn)生耦合效應(yīng)。相對于連廊施工完畢即刻剛接的情況， 設(shè)置鉸支座可使得連廊腋部構(gòu)件彎矩極大地減小。即適當(dāng)延遲連廊與塔樓結(jié)構(gòu)的剛接時機有利于減小該處因附加變形產(chǎn)生的附加內(nèi)力。

表8 各剛接時機工況對T1塔樓結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

表9 各剛接時機工況對T2塔樓結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

表10 各剛接時機工況對T3塔樓結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

根據(jù)實際施工條件和施工技術(shù)，本工程無法實現(xiàn)在最后封頂時對連廊和塔樓進行剛接，故綜合考慮整體結(jié)構(gòu)的豎向變形差異及施工技術(shù)條件，工況3為最優(yōu)施工方案，既可減小結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力引起的豎向變形，也能極大釋放連廊與塔樓連接處構(gòu)件的內(nèi)力。

6 結(jié) 論

(1)依據(jù)豎向剛度等效原則建立連體超高層簡化模型，能夠反映塔樓結(jié)構(gòu)的力學(xué)本質(zhì)，可有效模擬實際結(jié)構(gòu)的豎向變形及其變形規(guī)律。

(2)連體超高層結(jié)構(gòu)的豎向變形總體符合“兩頭小，中間大”的規(guī)律，其最大值發(fā)生在連廊部位。由于連廊對塔樓產(chǎn)生附加應(yīng)力的作用，結(jié)構(gòu)豎向變形趨勢在此處會發(fā)生一個明顯的突變。

(3)連體超高層結(jié)構(gòu)的豎向變形主要由彈性變形與收縮徐變組成，其中，收縮徐變最大將占據(jù)總變形的32%～35%。

(4)連體超高層塔樓上部結(jié)構(gòu)的后續(xù)施工順序?qū)φw結(jié)構(gòu)的豎向變形及連廊連接處的構(gòu)件內(nèi)力影響不大，其誤差均可控制在10%以內(nèi)。綜合考慮整體結(jié)構(gòu)的變形差異、內(nèi)力及施工技術(shù)的控制，施工時宜按同步均勻施工的方式指導(dǎo)施工。

(5)連廊與塔樓的剛接時機對整體結(jié)構(gòu)豎向變形及連廊連接處內(nèi)力的影響較大。當(dāng)進行連廊施工與塔樓上部結(jié)構(gòu)的后續(xù)施工時，宜適當(dāng)延遲連廊與塔樓的剛接時機，有利于減小塔樓三塔間連廊處的標(biāo)高差和連廊腋部關(guān)鍵構(gòu)件的內(nèi)力。