王 飞 马俊杰 贾雁凯 罗永峰

1. 上海中建海外发展有限公司 上海 200126;

2. 同济大学土木工程学院 上海 200092

超高层建筑施工模拟分析技术已成为支撑超高层建筑安全顺利施工的一项关键技术。国内专家学者对超高层框架-核心筒施工模拟技术的研究已比较成熟，顾磊等[1]研究了施工找平对结构竖向变形的影响，黄湘湘等[2]分析了混凝土收缩-徐变效应对钢框架-核心筒结构竖向变形差的影响，李烨等[3]对施工模拟中不同的理论模型以及软件应用进行了比较评价，贾红学[4]分析了施工过程中结构竖向变形对伸臂桁架受力的影响。但在超高层框架-核心筒结构施工过程中，关于核心筒领先外框架高度或层数对施工过程中结构性态影响的研究还相对较少。

目前，在国内超高层框架-核心筒结构施工过程中，通常核心筒领先外框架4～8层，而我国JCJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》建议不宜超过14层，核心筒领先层数多少最为合理，目前还没有成熟的研究成果。

埃及标志塔（Iconic Tower）项目地处埃及新首都CBD核心位置，受海外工程资源控制因素的影响，施工进度计划可控制性较差。根据施工进度计划，该工程施工核心筒领先层数最少12层，最多时将达到27层，不同阶段领先层数的不同，可能会导致混凝土筒体产生较大的变形和应力，因而，必须对核心筒领先层数进行参数化分析，得出不同领先层数对结构性能的影响规律。

基于此，本文研究超高层建筑施工核心筒领先层数对超高层框架-核心筒结构竖向位移的影响，并对埃及标志塔进行施工模拟，为该工程施工提供计算数据和控制依据。

1 结构施工模拟分析原理

对于刚性结构或刚性较大的结构体系，施工阶段模拟分析可采用状态叠加法。具体方法为：取每个施工阶段为一个计算组，每一个施工阶段完毕后形成一次刚度矩阵，每一次形成刚度矩阵时，刚度矩阵维数需要根据该阶段结构体系组成变化，对刚度矩阵元素重组，对应的节点位移分量和荷载分量个数也需变化。施工阶段采用状态叠加法对结构进行分析，结构变形如图1所示。

图1 结构竖向变形示意

2 工程概况

埃及标志塔位于埃及新首都CBD中心城区，总建筑面积约260 000 m2，地下2层，地上79层，建筑高度386 m。建成后将成为继金字塔之后的开罗新地标，未来埃及第一高楼，同时也是非洲第一高楼。埃及标志塔的结构体系为框架-核心筒结构，外部为钢框架，内部为钢筋混凝土核心筒，采用压型钢板和混凝土组合楼板体系。

3 结构施工过程计算模型

本文采用ETABS软件建立该超高层建筑结构施工模拟分析模型[5]。首先，根据施工进度计划，将每一施工阶段的所有构件定义为一个构件组，然后，将构件组添加到对应的施工步中。模拟计算时，当从一个阶段到下一个阶段时，可自动判断哪些构件是新增的，哪些是需要删除的，每次分析都是在上一次分析结果的基础之上进行的。添加构件时，其质量和刚度被添加到整体结构中，并增加相应荷载；移除构件时，其质量和刚度立刻从结构中移除，其所承受力转移到剩余结构节点上。施工模拟分析流程如图2所示。

图2 施工模拟分析流程

根据设计要求，本工程施工模拟计算需考虑核心筒墙体混凝土的收缩-徐变效应，时间相关类型需按照ACI 209R-92选用。

为方便研究分析，本文从结构中仅选取典型外框架柱KZ1、核心筒外墙Q1（图3）进行计算说明。

图3 典型构件位置示意

4 核心筒领先层数影响分析

4.1 分析工况

本节研究核心筒领先层数对超高层框架-核心筒结构受力性能的影响。为得到相关变化规律，分别对比分析以下4种工况下的计算结果：核心筒领先施工5层，核心筒领先施工10层，核心筒领先施工20层，核心筒领先施工30层。

4.2 竖向位移分析

图4给出施工完成时，不同工况下混凝土核心筒外墙的竖向位移情况。从图4中可知，随着核心筒领先层数的增加，核心筒墙体竖向位移逐渐增大。领先5层时墙体竖向位移最大为91.9 mm，领先30层时墙体竖向位移最大为143.2 mm，增加约55.8%。另外，若领先层数较多（领先20层、30层），当外框架柱开始施工时，核心筒竖向位移明显减小。

图4 核心筒外墙竖向位移

图5给出施工完成时，不同工况下外框架柱的竖向位移情况。从图5中可以看出，随着核心筒领先层数的增加，外框架柱的竖向位移逐渐减小。领先5层时外框架柱竖向位移最大为70.2 mm，领先30层时墙体竖向位移最大为51.7 mm，减小约26.3%。究其原因，主要是核心筒领先层数越多，外框架柱开始施工的时间越晚，对其竖向位移影响越小。

图5 外框架柱竖向位移

4.3 内力影响分析

为研究核心筒领先层数对结构竖向构件内力的影响，取各工况下，施工完成时核心筒和外框架柱的竖向基底总反力，以分析结构整体内力变化规律，如表1所示。

表1 竖向基底总反力单位：kN

从表1中可以看出，随着核心筒领先层数的增加，核心筒竖向基底反力增大，而外框架柱的竖向基底反力减小，即核心筒分担内力增大，外框架柱分担内力减小。由此可见，核心筒领先层数越多，其变形量完成越充分，对外框架柱的内力影响越小。

综上所述，核心筒领先层数对结构竖向变形和内力影响较大，随着核心筒领先层数的增加，核心筒墙体竖向位移逐渐增大，分担内力也逐渐增大；而外框架柱的竖向位移逐渐减小，分担内力也逐渐减小。因此，在制定施工进度计划时，需合理选取核心筒领先层数，以免使构件产生过大的变形和内力。

5 埃及标志塔施工全过程模拟分析

5.1 荷载条件

本次计算主要分析施工过程以及混凝土收缩-徐变对框架-核心筒结构竖向变形的影响。施工过程的荷载主要考虑结构自重，施工完成后考虑结构自重与附加恒荷载，全过程考虑混凝土的收缩-徐变效应。

5.2 分析工况

为分析施工过程及混凝土收缩-徐变对框架-核心筒结构竖向变形的影响，分别考虑以下3种工况：工况一，考虑施工过程，同时考虑收缩-徐变；工况二，考虑施工过程，不考虑收缩-徐变；工况三，不考虑施工过程和混凝土收缩-徐变，一次性加载。

5.3 施工进度

按照现场制定的施工进度计划进行施工过程模拟，施工完成后，继续加载至10 a龄期，以分析收缩-徐变的长期影响。

5.4 分析结果

5.4.1 框架-核心筒竖向变形分析

将各工况不同施工步的外框架柱与核心筒剪力墙竖向位移最大值列于表2。比较工况一和工况二的计算结果可以看出，施工过程中考虑混凝土的收缩-徐变效应后，核心筒墙体竖向位移增加明显，外框架受核心筒墙体的影响，竖向位移也相应增加。

表2 外框架柱与核心筒剪力墙竖向位移最大值单位：mm

图6给出施工完成时，不同工况混凝土核心筒外墙Q1的竖向变形情况。比较工况一和工况二可知，考虑混凝土收缩-徐变的影响后竖向变形最大值为96.1 mm，不考虑混凝土收缩-徐变的影响时竖向变形最大值为51.8 mm，增加约85.5%。比较工况二和工况三可知，一次性加载墙体竖向变形最大值发生在顶部楼层，最大值为106.5 mm；而考虑施工过程找平后，墙体竖向位移最大值发生在中间楼层。

图6 核心筒外墙竖向位移

图7给出施工完成时，不同工况外框架柱KZ1的竖向变形情况。比较工况一和工况二可知，虽然钢框架柱自身不存在收缩-徐变，但受核心筒混凝土墙体收缩-徐变的影响，由于内力重分布，钢柱的竖向变形也会增加，增加约31.1%。比较工况二和工况三可知，一次性加载框架柱竖向变形最大值发生在顶部楼层，最大值为111.8 mm；而考虑施工过程找平后，竖向位移最大值发生在中间楼层。

图7 外框架柱竖向位移

图8给出施工完成时，不同工况核心筒墙体与外框钢柱竖向位移差（核心筒墙体竖向位移减去外框钢柱竖向位移）。比较工况一和工况二可知，受混凝土收缩-徐变影响，虽然核心筒墙体与外框钢柱竖向变形均增加，但核心筒墙体的增加量大于外框钢柱的增加量，使墙体与外框钢柱竖向位移差增大，增大值最大约30 mm。

图8 外框架柱与核心筒墙体竖向位移差

比较工况二和工况三可知，一次性加载时，结构上部楼层的核心筒墙体与外框钢柱竖向位移差为负值，即外框钢柱竖向变形大于核心筒墙体；而考虑施工过程找平后，核心筒墙体竖向变形大于外框钢柱，竖向位移差规律变化明显。

5.4.2 收缩-徐变长期效应对竖向变形影响分析

为进一步分析收缩-徐变的长期效应，取二层楼面处核心筒外墙的竖向位移进行研究。

图9给出了随混凝土龄期的增加，二层楼面处核心筒外墙Q1的竖向位移面积图。可以看出，受荷初期，混凝土收缩-徐变发展较迅速，随着龄期的发展，收缩与徐变发展变缓，逐渐趋于平稳。施工完成时，混凝土弹性变形完成，为11.1 mm，此时收缩-徐变变形为9.3 mm，占总变形的45.6%，说明在施工过程中收缩-徐变对超高层混凝土结构变形产生明显影响。施工完成后2 a，收缩-徐变变形为11.7 mm，占总变形的51.3%；施工完成后10 a，收缩-徐变变形为12.4 mm，占总变形的52.8%。即从施工完成后2 a至10 a期间，收缩-徐变发展很小，几乎可以忽略。因此，超高层框架-核心筒结构收缩-徐变的影响至少应考虑至施工完成后2 a。

图9 二层楼面处核心筒外墙竖向位移面积

5.4.3 框架-核心筒内力影响分析

表3给出了不同工况下，施工完成时，核心筒剪力墙与外框架柱的竖向基底总反力的变化。从表中可以看出，考虑混凝土收缩-徐变后，核心筒基底反力减小约5.1%，而外框架柱基底反力增加约4.8%。由此可见，考虑混凝土收缩-徐变的影响后，由于竖向变形引起内力重分布，外框架柱基底总反力增加，核心筒基底总反力减小。

表3 竖向基底总反力

5.5 典型竖向构件预留长度

由以上分析可知，工况一，即考虑施工过程找平且同时考虑收缩-徐变影响，与实际施工情况比较相符。当施工完成2 a，收缩-徐变影响已经较小，竖向变形基本完成，将此阶段作为竖向构件预留长度的计算时间点。

本节从实际工况出发，依据工况一，以施工完成2 a时的结构竖向变形为基准，计算分析典型竖向构件加工制作需要的预留长度，如图10、图11所示。预留长度计算方法详见文献[6]。

图10 各层典型外框架柱KZ1预留长度

图11 各层典型墙体Q1预留长度

由图10和图11可知，底层结构由于收缩-徐变长期作用以及上部楼层重力作用，使底部楼层实际高度小于设计高度，因此，竖向构件预留长度大于零，其中外框架柱KZ1最大预留长度为11.3 mm，墙体Q1最大预留长度为21.7 mm。靠近结构顶层，由于施工找平的影响，使得施工中结构实际层高大于设计值，因此竖向构件预留长度小于零。

施工中考虑竖向构件的预留长度，可使结构在施工完成2 a后的实际层高与设计层高一致，从而避免收缩-徐变等长期效应引起的结构竖向变形和结构构件附加内力。

6 结语

本文对埃及标志塔施工过程进行分析研究，通过数值模拟分析，得到以下主要结论：

1）核心筒领先层数对结构竖向变形和内力影响较大，随着核心筒领先层数的增加，核心筒墙体竖向位移逐渐增大，分担内力增大；而外框架柱的竖向位移逐渐减小，分担内力减小。

2）施工过程中考虑混凝土的收缩-徐变效应后，核心筒墙体竖向位移增加明显，外框钢柱受到核心筒墙体的影响，竖向位移也相应增加，但增加量小于核心筒。

3）当一次性加载时，结构竖向变形最大值发生在顶部楼层，而考虑施工过程找平后，墙体竖向位移最大值发生在中间楼层，即竖向位移最大值位置改变。

4）受荷初期，混凝土收缩-徐变发展较迅速，随着龄期的增加，收缩-徐变发展逐渐趋于平稳。超高层框架-核心筒结构收缩-徐变的影响至少应考虑至施工完成后2 a。

5）考虑混凝土收缩-徐变影响后，由于竖向变形引起结构内力重分布，外框架柱基底总反力增加，核心筒基底总反力减小。

6）施工过程结构竖向构件预留长度的计算，宜考虑施工过程找平和混凝土收缩-徐变影响。可将施工完成2 a作为竖向构件预留长度的计算时间点。