某超高層建筑施工過程豎向變形分析

韓萬鑫 李鴻晶 伍小平 李鑫奎

1. 南京工業大學 江蘇 南京 211816；2. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080

結構在施工過程中處于時變狀態，其材料、形狀、荷載以及邊界條件都隨施工階段的發展產生變化[1]，結構封頂時產生的豎向變形是隨時間不斷累積的結果。隨著超高層建筑高度的不斷增加，過大的豎向變形會給幕墻、管道、電梯等后續施工帶來不利影響。因此，豎向變形問題在超高層結構施工中需要重點考慮，能夠準確模擬結構的豎向變形狀況對結構施工十分關鍵。目前，已有多位學者對超高層結構豎向變形進行了研究[2]。王曉蓓等[3]對上海中心大廈進行了結構長期豎向變形分析，分別選用了CEB、PCA以及ACI規范中對混凝土材料特性的定義對結構進行數值模擬，最終計算得到結構封頂時核心筒豎向變形最大值為70 mm，框架柱豎向變形最大值為57 mm。超高層結構的豎向變形主要由3部分構成，分別是彈性變形、收縮變形以及徐變變形。張莉莉等[4]對西安金融中心進行施工豎向變形分析研究，其結果表明在考慮混凝土收縮徐變以及逐層找平的情況下，封頂時結構豎向變形中的收縮徐變部分占比達到了47.33%～58.59%，各部分占比由大到小分別為彈性變形、徐變變形、收縮變形。此外，對于框架-核心筒結構體系而言，不同豎向構件的材料特性不同，截面尺寸不同，承擔的豎向荷載不同，導致框架柱和核心筒之間出現豎向變形差異的情況。范峰等[5]使用ANSYS軟件對上海環球金融中心進行施工過程模擬，共劃分了34個施工階段，其結果表明框架柱與核心筒的豎向差異變形最大值出現在第28施工階段中的53層，達到了11.91 mm，在結構封頂時，框筒豎向差異變形在29層達到最大，為4.27 mm。

因此，為了解某超高層建筑在施工過程中的豎向變形發展情況，使用有限元軟件MIDAS GEN針對不同的施工方案，進行塔樓結構的施工過程模擬，獲取結構的豎向變形數據，分析其豎向變形規律。

1 工程概況

某超高層建筑地上結構共59層，標準層層高為4.5 m，整體結構高度為298 m（圖1）。塔樓采用框架-核心筒結構體系，在10層及40層設置環帶桁架，以型鋼混凝土框架柱和鋼筋混凝土核心筒共同組成主體結構的抗側體系，并作為承重構件傳遞豎向荷載[6]。塔樓按樓層共劃分6個區段，其中一區（3—9層）型鋼混凝土框架柱尺寸為3.4 m×1.9 m，從二區開始分叉成2根框架柱，尺寸由1.9 m×1.7 m不斷減小，至六區（52—59層）時為1.0 m×1.0 m，核心筒墻厚也由底層的1.0 m逐漸縮小為0.4 m。

圖1 建設中的塔樓

2 計算模型

本文使用MIDAS GEN建立塔樓上部結構模型（圖2），對其進行施工過程模擬，在進行結構豎向變形分析時不考慮地下結構的影響，因此，在模型1層底部設置固端約束。在結構模型中，梁柱結構采用梁單元模擬，核心筒結構采用墻單元模擬，樓板結構采用板單元模擬。其中，豎向構件主要尺寸以及材料強度等級如表1所示。

圖2 塔樓模型

表1 豎向構件主要尺寸及材料強度等級

2.1 荷載及進度計劃

塔樓模型按照實際施工進度計劃將施工過程共劃分為23個階段，并采取外框架落后核心筒10層施工，樓板落后外圍框架6層施工，標準層施工周期為5 d，結構施工周期約為500 d。塔樓施工過程的數值模擬考慮以下荷載情況：結構自重、收縮、徐變。所有荷載均參照施工進度施加。

2.2 混凝土收縮徐變模型

模型中所采用的材料強度等級及截面完全參照設計圖紙。同時，參考CEB-FIP規范考慮混凝土的強度發展和收縮徐變作用，以達到較高的精度[7]。CEB-FIP1990模型中關于混凝土徐變效應的計算表達式如式（1）所示。

式中：Eci——材齡28 d時混凝土的彈性模量；

3 數值模擬結果

為了解塔樓豎向變形在施工過程中的發展情況，本文考慮不同因素影響，建立了3個施工模擬方案，并對各方案的豎向變形數據進行對比。具體方案如表2所示。

表2 施工模擬方案

3.1 不同模擬方案下的豎向變形對比

框架柱與核心筒在模型中的提取點如圖3所示，分別提取核心筒剪力墻點位A與框架柱點位B在結構封頂時的計算結果，3種施工模擬方案下的框架柱及核心筒豎向變形情況分別如圖4和圖5所示。方案1中，框架柱豎向變形值最大達62.53 mm，核心筒的豎向變形值最大達60.61 mm；方案2中，框架柱豎向變形值最大達28.66 mm，核心筒的豎向變形值最大達26.49 mm；方案3中，框架柱豎向變形值最大達66.58 mm，核心筒的豎向變形值最大達57.82 mm。

圖3 測點布置

圖4 框架柱豎向變形

圖5 核心筒豎向變形

由圖4和圖5可看出：不同施工模擬方案下，同一結構的豎向變形趨勢不同；在同一施工模擬方案下，核心筒的豎向變形與框架柱的豎向變形發展趨勢相同。方案1中框架柱和核心筒的豎向變形隨高度的增加逐漸增大，兩者的豎向變形最大值均出現在結構頂層，其原因是方案1考慮的情況是結構一次成形，荷載一次性加載，施工過程以及混凝土收縮徐變未被考慮，豎向變形只由恒荷載作用下的壓縮變形產生。因此，結構的豎向變形會隨樓層不斷積累，在頂部達到最大。方案2和方案3中，框架柱與核心筒的豎向變形曲線出現兩頭小中間大的情況，框架柱的最大豎向變形出現在36層左右，核心筒的最大豎向變形出現在40層左右，其原因是這2種方案考慮了施工找平的影響，使每一施工階段的初始標高與設計標高一致，前一施工階段中產生的豎向變形已通過找平消除，結構的豎向變形由后續施工階段中上部樓層自重以及收縮徐變產生，導致結構的豎向變形曲線呈兩頭小中間大的情況。

由計算結果可知，一次性加載情況下豎向變形規律及變形值與考慮施工過程的情況相比有較大區別，不能準確反映結構構件實際變化，因此必須考慮施工過程的影響。

3.2 收縮徐變對豎向變形的影響

由圖4和圖5可看出，方案3在考慮混凝土收縮徐變效應后，相比方案2，結構豎向變形有明顯增大，為準確分析結構的豎向變形，在進行施工過程模擬時必須考慮收縮徐變對豎向變形的影響。在方案3的情況下，結構各層豎向變形由彈性、收縮以及徐變3部分共同組成。圖6與圖7分別為框架柱與核心筒豎向變形以及各組成部分的比例情況，從圖中可以看出無論是核心筒還是框架柱，在豎向變形中彈性變形所占比例最大，徐變變形次之，收縮變形占比最小。在結構封頂時，以36層為例，在核心筒的豎向變形中，收縮變形約占13.68%，徐變變形約占41.10%，彈性變形約占45.22%；在框架柱的豎向變形中收縮變形約占10.10%，徐變變形約占34.17%，彈性變形約占55.73%。可以看出，在結構封頂時，無論是核心筒還是框架柱，收縮和徐變變形占總計變形的一半左右。同時，核心筒收縮徐變比例高于框架柱，這是由兩者不同的截面特性、材料特性、承擔荷載共同導致的，并因此產生豎向差異變形。

圖6 框架柱豎向變形

圖7 核心筒豎向變形

3.3 核心筒與巨柱豎向差異變形

從上述豎向變形情況可以看出，收縮徐變在結構豎向變形中占有較大比例，在進行施工過程模擬時，必須充分考慮施工找平以及混凝土的收縮徐變作用。此處選取方案3情況下所得到的結構變形數據進行分析，圖8給出了核心筒與框架柱豎向差異變形的結果，可以看出：在方案3的情況下，結構封頂時，下部結構中核心筒豎向變形大于框架柱，差異變形在11層達到8.57 mm；到中部樓層時，框架柱的豎向變形開始逐漸大于核心筒，差異變形在27層達到9.97 mm；隨后差異變形逐漸縮小，到頂部時核心筒豎向變形超過框架柱，差異變形達到10.93 mm。

圖8 框筒豎向差異變形

由于核心筒超前施工，其收縮徐變發展早于外框架，故下部樓層會出現框架柱豎向變形小于核心筒豎向變形的情況。而在中部樓層，外框架和核心筒除承擔自重外還承擔樓板等其他恒荷載，且外框柱承擔的恒荷載比例更大，由其產生的豎向變形超過了核心筒。最后，上部結構隨著樓層不斷增加，雖然有施工找平等措施控制結構標高，但收縮徐變隨時間不斷發展，其占豎向變形的比例變大，且材料和截面特性決定了核心筒相對于框架柱受收縮徐變的影響更大，因此上部樓層核心筒豎向變形超過框架柱。

4 結語

由以上分析可知，考慮施工過程所得到的結構豎向變形與不考慮施工過程時有本質區別，不考慮施工過程的模擬方案無法正確預測結構豎向變形的發展情況。同時，由于收縮變形和徐變變形在結構豎向變形中占有較大比例，未考慮收縮徐變時的結構豎向變形偏小，對實際施工沒有指導作用。在考慮施工過程與收縮徐變效應后，計算得到塔樓框架柱豎向變形值最大為66.58 mm，出現在36層，核心筒豎向變形值最大為57.82 mm，出現在40層，核心筒與框架柱豎向差異變形值最大為10.93 mm，出現在59層。

因此，本塔樓應考慮施工過程和收縮徐變效應的影響，在施工中結合數值模擬，通過采取施工找平、標高預補償等方法降低結構的豎向變形，同時削弱核心筒與框架柱的豎向差異變形。