朱 江

(华东建筑设计研究院有限公司,上海 200070)

0 引 言

某超高层结构的塔楼地上62层、地下3层(局部设一夹层),总高度为309.5 m,典型平面长度为56 m,宽度为40 m,地下室埋深为18.5 m。地下室层高由下而上分别为3.9 m、4.8 m、3.0 m、3.3 m,地上1～2层层高分别为12.0 m、6.0 m,其上除设备层第21层、第42层层高为7.5 m外,其余层高均为4.5 m。塔楼采用框架(钢管混凝土柱+钢梁)-钢筋混凝土核心筒-伸臂桁架混合结构体系。该塔楼为高度超限的高层建筑[1-2]。

传统的结构设计方法仅对使用阶段的结构在不同工况及其组合作用下的效应进行分析,结构一次性建模,整体一次性加载,并没有考虑施工过程和时间效应的影响。实际上,在整个结构施工过程中结构是一个时变体系,结构的材料参数、几何参数、荷载边界条件都随施工进程而改变,结构竣工状态的内力和变形也是各施工步效应的积累结果。尤其是大型超高层结构,施工周期较长,竖向变形受施工过程和时间效应影响较大,仅按传统的分析方法进行变形分析不能准确地反映实际情况,因此有必要对施工过程进行跟踪模拟,并对结构施工过程中的竖向变形规律进行研究。

1 施工步骤及施工模拟分析方法

本塔楼施工模拟分析采用韩国MIDAS公司编制的MIDAS Gen 2014版程序。计算过程采用考虑时间依存效果(累加模型)的方式,预定施工方案中假设基本施工速度为7d/层,外框滞后核心筒区域10层开始施工,伸臂合龙时间滞后一个加强区,即第一道伸臂合拢时间为施工至第二道伸臂所在区域框架,第二道伸臂合拢时间为施工至屋面伸臂所在区域框架。整个施工过程共分为73个施工步骤,施工过程中的恒载及活载直接考虑今后的使用荷载。混凝土材龄时间为3 d,混凝土材料特性中考虑依赖时间的收缩、徐变及强度增长。该塔楼施工模拟分析各阶段模型图如图1所示。

核心筒剪力墙以混凝土结构为主,忽略核心筒剪力墙内钢骨对收缩和徐变效应的影响,在施工模拟中计入筒体在荷载作用下的弹性变形,并同时考虑混凝土材料的收缩和徐变对结构内力及变形的影响。钢管混凝土柱中的核心混凝土由于被钢管包裹,基本处于密封状态,避免了水分的流失,同时外围钢管限制了混凝土的横向变形,导致混凝土处于多轴应力状态,这种多轴应力作用限制了混凝土的自由徐变。另外,钢管和混凝土间的应力重分配导致了混凝土的应力松弛,从而减少了混凝土的徐变。因此本塔楼外框柱不考虑材料收缩徐变的影响,仅计算钢管混凝土柱的弹性变形。

图1 塔楼施工模拟分析各阶段模型图Fig.1 Model diagram of construction simulation analysis of the tower in various stages

目前国际上广泛采用的收缩徐变模型主要有B3[3]、CEB-FIP[4]、ACI209[5]等模型,国内《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD 62—2004)[6]中提供了混凝土通用徐变系数理论计算公式,这些计算模型大都属于经验公式或者半理论半经验公式。上述计算模型中仅B3模型考虑了构件湿度扩散的尺度效应,因此相对于已有的试验数据结果而言,B3模型精确度最高,CEB-FIP模型其次,而ACI209模型计算结果与试验数据相差较大。本次施工模拟分析采用的MIDAS Gen软件未包含B3模型,所以采用相对较准确的CEB-FIP预测模型进行计算分析。

本次计算框架柱竖向变形选取外围12根钢管混凝土框架柱逐一计算,核心筒的竖向变形通过分布在筒体四周的8个计算点的平均值进行描述,具体分布点详见图2。根据塔楼拟定的施工顺序方案及材料收缩徐变的特点,进行三种工况的计算分析:①结构施工完成时;②结构施工完成后1年;③结构施工完成后2年。

图2 计算点选取Fig.2 Selections of the calculation points

2 施工模拟结果及分析

2.1 框架柱施工模拟结果及分析

图3是框架柱施工完成时的竖向弹性变形值。从图3可以看出各柱竖向弹性变形均呈现出中部最大、上下部最小的现象。这种变形特征是符合结构实际变形规律的,因为上部框架柱承受的轴力逐渐变小,由其引起的变形也越来越小,而底部的框架柱虽然承受的荷载最大,应变也最大,但是高度小,累积效应产生的变形也就小。从图3可以看出竖向变形最大的楼层位置位于36层,最大变形值为29.5 mm,同时由于核心筒两端在100 m及200 m处分别有收进,所以角柱的变形值大于边柱的变形值,右侧角柱的变形值大于左侧角柱的变形值。边柱的最大竖向变形值23.0～24.6 mm,角柱的最大竖向变形值28～29.5 mm。

图3 框架柱施工完成时的弹性竖向变形值Fig.3 Elastic vertical deformation of the framed columns at the completion of construction

2.2 核心筒施工模拟结果及分析

图4为核心筒在施工完成时、施工完成后1年及施工完成后2年的楼层竖向变形曲线。核心筒的竖向变形由三部分组成,分别为弹性变形、徐变变形和收缩变形。其中弹性变形为瞬时受力变形,不随时间的变化而变化,其变化规律与框架柱变形规律基本相似。核心筒弹性变形最大数值为26.6 mm,楼层数位于35层。

核心筒的徐变效应在结构开始施工时就已开始产生,在施工期间(约1年4个月)徐变效应的增长速率是最快的,施工完成时最大累积徐变变形值为13.9 mm,发生最大累积徐变变形值的楼层数为36层。施工完成1年后的最大累积徐变变形值为17.5 mm,发生最大累积徐变变形值的楼层数上移至42层。施工完成2年后最大累积徐变变形值为19.4 mm,楼层数依然为42层。从以上分析结果来看徐变效应在施工阶段最为明显,随着时间推移效应逐渐减弱,一般在施工完成后2年趋于稳定。徐变效应引起的核心筒竖向变形峰值位置也随着时间的推移从结构中部逐渐上移。

核心筒的收缩变形在总变形的成分中占有的比例最小,在施工完成时最大收缩变形值为2.2 mm,施工完成后1年及2年时的最大收缩变形值分别为4.5 mm、6.7 mm。其变形规律基本呈现底部小上部大的趋势,底部结构由于最先完成,收缩变形值已发生大半,后续新增产生的竖向变形很小,中上部结构施工完成的时间较晚,其收缩变形值随着时间的推移仍有继续发展的趋势。

综上所述,核心筒结构在施工完成时、完成后1年及完成后2年时总的最大竖向变形值分别为42.7 mm、47.6 mm、50.4 mm,发生楼层数分别为36层、37层、38层,收缩和徐变产生的效应依次占有的比例为37.8 %、44.2%、47.2%。由此可见,对于超高层建筑收缩和徐变导致的核心筒竖向变形是不可忽视的重要因素,且随着时间的推移越来越明显。

图4 核心筒楼层竖向变形曲线Fig.4 Vertical deformation curves of each floor of the core tube

2.3 外框与核心筒之间的竖向变形差

根据以上分析可以推算出外框与核心筒之间的竖向变形差异,外框采用12根框架柱的弹性变形平均值与核心筒的变形进行比较,结果如图5所示。

由图5可知,外框与内筒之间的最大竖向变形差异值在施工完成时、完成后1年及完成后2年时分别为18.1 mm、24.1 mm及28.2 mm,峰值发生的楼层数分别为42层、54层及54层。其中42层为第二道伸臂所在区域,因此该道伸臂应待塔楼施工完成后进行合龙,尽可能减小由竖向构件之间的变形差异引起的附加内力。

图5 外框与核心筒之间的竖向变形差Fig.5 The vertical deformation difference betweenthe outer frame and the core tube

2.4 外框与核心筒之间的内力重分配效应

根据上述分析得知核心筒与外框在施工阶段及使用阶段存在竖向变形差异,竖向变形差异必然导致由于水平构件追求协调而引起两者之间轴力的内力重分配。表1为框架柱在一次性加载工况、施工完成时、施工完成后1年及施工完成后2年时的轴向力计算结果对比,荷载为设计使用恒载和活载。

由表1可知,框架柱考虑施工模拟且考虑核心筒收缩徐变影响后,所得的轴向力数值与按一次性加载模式计算相比有一定程度的增加,数值差异随着时间的延长逐渐加大。根据最后一列比值可以看出底部楼层差异相对较小,随楼层数的增加轴力差值基本呈逐渐增大的趋势,这与核心筒收缩徐变效应引起的竖向变形变化趋势是有关的。因为核心筒收缩徐变效应越明显,则本身受到的轴力也越来越小,“失去”的轴力就通过水平构件转移到外框上。表2为核心筒在一次性加载工况、施工完成时、施工完成后1年及施工完成后2年时的轴向力计算结果对比。从结果来看混凝土的收缩徐变对剪力墙的轴力影响是随着时间及楼层的高度逐渐增大,在顶部10层左右影响最大,基本为一次性加载模式计算结果的85%左右。此部分剪力墙的轴力减少对墙肢的抗剪承载力有一定程度的消弱,需加强顶部核心筒剪力墙的水平钢筋。对中底部的剪力墙应通过适当增加墙体竖向钢筋配筋率的措施来减小混凝土收缩徐变的影响。

表1不同加载模式框架柱轴力结果对比

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

表2不同加载模式核心筒轴力结果对比

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

3 结 论

(1) 根据施工模拟分析可知,外框柱之间的竖向变形差异远小于核心筒与外框柱之间的竖向变形差异,因此,外框架柱之间的外框梁内力受影响较小。施工时核心筒超前外框的楼层数应尽量多,应待核心筒完成尽量多的收缩徐变后再施工外框柱。连接外框与核心筒之间的伸臂构件应尽量延迟安装。连接核心筒与外框柱之间的楼面梁在施工阶段应采用铰接连接,以释放施工阶段较大的竖向变形差异。顶部核心筒剪力墙应适当加大水平钢筋,中底部核心筒剪力墙应控制竖向钢筋配筋率不宜过小。

(2) 由于内筒和外框架之间存在一定的收缩徐变差异,对于非结构的构件如填充墙、幕墙等应避免采用脆性材料刚性连接,应采用具有良好的弹性和韧性的填充材料与结构构件进行连接。

(3) 在混凝土材料的配合比方案设计中,应兼顾混凝土强度、耐久性、体积稳定性、工作性、环保性和经济性的综合要求,通过多目标优化设计确定最佳混凝土配合比,严格控制混凝土的体积稳定性,减小收缩徐变的不利影响。

(4) 核心筒因后期混凝土收缩徐变产生竖向压缩变形,可能会使下部楼层的层高有一定的减小。该问题不但影响非结构构件,还会影响到需要严格控制层高标准的电梯的使用,因此在施工阶段应采用适当的补偿技术修正建筑的楼面标高,使得最终的楼面标高与设计标高相一致。