某超高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在變形作用下的內(nèi)力監(jiān)測(cè)與分析

張學(xué)臣 楊 迪

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司南寧分公司,廣西 南寧 530000)

某超高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在變形作用下的內(nèi)力監(jiān)測(cè)與分析

張學(xué)臣 楊 迪

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司南寧分公司,廣西 南寧 530000)

為了研究某超高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在變形作用下的反應(yīng)，對(duì)3個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件在不同時(shí)期的內(nèi)力發(fā)展情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析,研究結(jié)果表明，豎向構(gòu)件內(nèi)力、聯(lián)系鋼管混凝土柱與核心筒的鋼筋混凝土框架梁的內(nèi)力和聯(lián)系鋼管混凝土邊柱與鋼管混凝土角柱的框架梁的內(nèi)力均在預(yù)期設(shè)計(jì)中得到考慮，并采取了措施，能夠達(dá)到所設(shè)定的性能目標(biāo)，所采用的分析方法可為類(lèi)似超高層結(jié)構(gòu)構(gòu)件在變形作用下的內(nèi)力分析提供參考。

變形作用，內(nèi)力分析，超高層建筑

0 引言

超高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件類(lèi)型較多、數(shù)量較大，在各向變形作用下的內(nèi)力發(fā)展情況十分復(fù)雜，是該類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，部分學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了研究[1-5]。為了評(píng)估某超高層建筑在豎向變形作用下的內(nèi)力分布情況，運(yùn)用有限元軟件Midas/Gen分別對(duì)豎向構(gòu)件、聯(lián)系鋼管混凝土柱與核心筒的鋼筋混凝土框架梁和聯(lián)系鋼管混凝土邊柱與鋼管混凝土角柱的框架梁三類(lèi)關(guān)鍵構(gòu)件在不同時(shí)期的內(nèi)力分布情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析；結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)各關(guān)鍵構(gòu)件采取措施，其性能可達(dá)至預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 工程概況

廣西九洲國(guó)際大廈位于南寧市瑯東新區(qū)，地下6層，地上71層，裙樓9層，建筑總高度301.6 m，總建筑面積約21.43萬(wàn)m2，采用鋼管混凝土柱框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土梁板樓蓋。為滿(mǎn)足建筑立面造型及平面使用功能的要求，西側(cè)兩根φ1 500×35鋼管混凝土角柱在地下1層通過(guò)兩根φ1 100×25鋼管混凝土斜撐轉(zhuǎn)換為兩根φ1 100×22鋼管混凝土柱，東側(cè)兩根φ1 450×32鋼管混凝土角柱通過(guò)兩根φ1 050×25鋼管混凝土斜撐轉(zhuǎn)換為兩根φ1 050×22鋼管混凝土柱，斜撐—柱轉(zhuǎn)換采用倒三角型自平衡受力體系，利用900×950×50×25焊接鋼箱梁平衡鋼管混凝土斜撐的推力。

2 分析原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件采用的模擬施工方法

目前，國(guó)內(nèi)常用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件在計(jì)算結(jié)構(gòu)恒荷載時(shí)，一般有兩種對(duì)施工次序的考慮方式：模擬施工1和模擬施工3。模擬施工1采用一次集成整體剛度、分步加恒載的模型，模擬施工3采用了分層剛度分層加載的模型；本工程在進(jìn)行結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)時(shí)采用的是模擬施工3的計(jì)算方法，施工模擬3考慮施工找平和分層加載，相對(duì)一次加載和模擬施工1的計(jì)算模型更符合實(shí)際情況。

2.2 仿真施工模擬基本方法

采用的仿真施工模擬方法為正裝分析法(又稱(chēng)前進(jìn)分析法)。

2.3 Midas/Gen施工階段模擬計(jì)算模型

工程的Midas/Gen施工階段模擬模型采用累加模型進(jìn)行計(jì)算，即在每個(gè)施工階段內(nèi)輸入已經(jīng)變化的結(jié)構(gòu)體系或荷載進(jìn)行分析，然后把結(jié)果累加到前一階段分析結(jié)果中，最后輸出總結(jié)果。

3 分析對(duì)象

通過(guò)Midas/Gen建立有限元模型，對(duì)廣西九洲國(guó)際項(xiàng)目塔樓進(jìn)行施工階段仿真分析后得到各個(gè)構(gòu)件的豎向變形與內(nèi)力，選取了外框架鋼管混凝土柱、核心筒及與其相連框架梁進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析。其中柱1、柱2分別為貫通全塔樓的鋼管混凝土邊柱，柱3為1層～34層的鋼管混凝土角柱，墻1、墻2分別為柱1、柱2對(duì)應(yīng)位置的核心筒墻肢。

4 構(gòu)件內(nèi)力情況及分析

鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土核心筒之間的豎向變形差異使聯(lián)系柱與核心筒的水平構(gòu)件產(chǎn)生附加內(nèi)力，同時(shí)也導(dǎo)致豎向構(gòu)件內(nèi)力重分布。長(zhǎng)期荷載作用下，混凝土的收縮及徐變性能，導(dǎo)致豎向構(gòu)件產(chǎn)生豎向變形，使豎向構(gòu)件間的變形差異發(fā)生改變，從而也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力隨時(shí)間而變。

4.1 豎向構(gòu)件內(nèi)力

4.1.1 鋼管混凝土柱的內(nèi)力

塔樓范圍內(nèi)的所有鋼管混凝土柱各階段時(shí)的軸力如圖1所示，圖2線(xiàn)形含義同圖1。

施工完成時(shí)，塔樓范圍內(nèi)的所有鋼管混凝土柱底部的軸力總和為1 026 521 kN；結(jié)構(gòu)封頂2年時(shí)為1 047 377 kN。結(jié)構(gòu)封頂2年時(shí)的柱軸力比施工完成時(shí)大20 856 kN，約2.0%。

4.1.2 鋼筋混凝土核心筒的內(nèi)力

塔樓范圍內(nèi)所有鋼筋混凝土核心筒各階段時(shí)的軸力如圖2所示。

施工完成時(shí)，塔樓范圍內(nèi)的所有鋼筋混凝土核心筒底部的軸力總和為1 593 511 kN；結(jié)構(gòu)封頂2年時(shí)為1 573 860 kN。結(jié)構(gòu)封頂2年時(shí)的核心筒軸力比施工完成時(shí)小19 601 kN，約1.2%。

4.1.3 豎向構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

由以上數(shù)據(jù)可看出，徐變導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)豎向變形差異，使豎向構(gòu)件內(nèi)力重分布，鋼管混凝土柱的收縮徐變效應(yīng)較小，而核心筒的收縮徐變效應(yīng)大。鋼管混凝土柱軸力隨著結(jié)構(gòu)變形差的減小而增大，核心筒軸力隨著結(jié)構(gòu)變形差的減小而減小，但變化量不大。在徐變收縮效應(yīng)下，鋼管混凝土柱軸力的增大量與核心筒軸力的減小量相等。

4.2 聯(lián)系鋼管混凝土柱與核心筒的鋼筋混凝土框架梁的內(nèi)力

4.2.1 鋼筋混凝土框架梁1柱邊梁端彎矩

施工模擬3與仿真施工模擬各階段，在各樓層中，聯(lián)系鋼管混凝土柱1與核心筒墻1的鋼筋混凝土框架梁(梁1)，在柱邊的梁端彎矩整理如圖3所示，圖3線(xiàn)形含義同圖4。

從圖3可以看出，鋼筋混凝土框架梁在柱邊的梁端彎矩沿高度由于墻柱變形差異而向右偏移(正彎矩增大)，各施工階段中，在柱邊的最大梁端正彎矩出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)封頂后剛剛施加長(zhǎng)期恒活荷載的時(shí)候，隨著時(shí)間的推移，鋼管混凝土柱與核心筒間的變形差異減小，柱邊梁端正彎矩逐漸減小，柱邊梁端負(fù)彎矩逐漸增大。

4.2.2 鋼筋混凝土框架梁1墻邊梁端彎矩

施工模擬3與仿真施工模擬各階段，在各樓層中，聯(lián)系鋼管混凝土柱1與核心筒墻1的鋼筋混凝土框架梁，在墻邊的梁端彎矩整理如圖4所示。

從圖4可以看出，鋼筋混凝土框架梁在墻邊的梁端彎矩沿高度由于墻柱變形差異而向左偏移(負(fù)彎矩增大)，各施工階段中，在核心筒墻邊的最大梁端負(fù)彎矩出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)封頂后剛剛施加長(zhǎng)期恒活荷載的時(shí)候。隨著時(shí)間的推移，鋼管混凝土柱與核心筒間的變形差異減小，核心筒墻邊梁端負(fù)彎矩逐漸減小。

4.2.3 聯(lián)系鋼管混凝土柱與核心筒的鋼筋混凝土框架梁的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

施工模擬3計(jì)算方法由于不考慮徐變收縮效應(yīng)，而墻柱變形差異隨著徐變收縮變形增大而減小，因此會(huì)在很大程度上高估了墻柱之間的變形差異，由此計(jì)算得出的由墻柱變形差引致的梁彎矩絕對(duì)值偏大。

由圖3和圖4可以看出，在計(jì)算柱邊的梁端彎矩時(shí)，施工模擬3的計(jì)算得出的中部樓層正彎矩偏大，而對(duì)于下部樓層及上部樓層梁端負(fù)彎矩計(jì)算值則偏小較多，在計(jì)算墻邊的梁端彎矩時(shí)，施工模擬3的計(jì)算得出的負(fù)彎矩偏大。上述特點(diǎn)，在本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已認(rèn)真考慮，并采取措施，保證結(jié)構(gòu)安全。

4.3 聯(lián)系鋼管混凝土邊柱與鋼管混凝土角柱的框架梁的內(nèi)力

4.3.1 鋼筋混凝土框架梁3柱2端梁端彎矩

施工模擬3與仿真施工模擬各階段，在各樓層中，聯(lián)系鋼管混凝土柱2與鋼管混凝土柱3的鋼筋混凝土框架梁3，在柱2端的梁端彎矩整理如圖5所示，圖5線(xiàn)形含義同圖6。

從圖5可以看出，鋼筋混凝土框架梁3在柱2端的梁端彎矩沿高度由于墻柱變形差異增大而向右偏移(正彎矩增大)，并在徐變效應(yīng)影響下正彎矩持續(xù)增大。

4.3.2 鋼筋混凝土框架梁3柱3端梁端彎矩

施工模擬3與仿真施工模擬各階段，在各樓層中，聯(lián)系鋼管混凝土柱2與鋼管混凝土柱3的鋼筋混凝土框架梁3，在柱3端的梁端彎矩整理如圖6所示。

從圖6可以看出，鋼筋混凝土框架梁3在柱3端的梁端彎矩沿高度由于墻柱變形差異增大而向左偏移(負(fù)彎矩增大)，并在徐變效應(yīng)影響下負(fù)彎矩持續(xù)增大。

4.3.3 聯(lián)系鋼管混凝土邊柱與鋼管混凝土角柱的框架梁的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

從圖5和圖6可以看出，鋼筋混凝土框架梁3由于2端豎向變形差異較大，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的正負(fù)彎矩。施工模擬3由于不準(zhǔn)確的施工次序與不考慮徐變收縮，低估了柱與柱之間的變形差異，因此低估了鋼筋混凝土框架梁3的梁端彎矩。

考慮了實(shí)際施工次序與徐變收縮后的梁端彎矩計(jì)算結(jié)果在31層以上超出了該梁的設(shè)計(jì)承重力。為了控制變形導(dǎo)致的較大彎矩，在施工階段應(yīng)對(duì)靠近頂部位置的鋼筋混凝土框架梁3設(shè)置后澆帶以釋放梁端彎矩。

5 結(jié)語(yǔ)

1)在本工程中，混凝土的徐變導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)豎向變形差異，使豎向構(gòu)件內(nèi)力重分布，鋼管混凝土柱軸力的增大量與核心筒軸力的減小量相等。

2)施工模擬3計(jì)算方法由于不考慮徐變收縮效應(yīng)，但實(shí)際工程該效應(yīng)影響不可忽視，因此在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)對(duì)墻體和柱的變形給予必要的重視。

3)廣西九洲國(guó)際項(xiàng)目考慮安全性、合理性、經(jīng)濟(jì)性，選用鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土樓蓋，在各個(gè)施工階段，由于邊界條件、受荷情況不同，變形差異引起的聯(lián)系鋼管混凝土柱與核心筒間框架梁附加內(nèi)力也不同；通過(guò)施工仿真分析，可知結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力可滿(mǎn)足各施工階段受力的要求。

[1] Lam J P.Evaluation of concrete shrinkage and creep prediction models[D].San Jose:San Jose State University,2002.

[2] 吳勝發(fā)，孫作玉.地基不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,4(3):261-266.

[3] 孫冬菊.徐變收縮對(duì)高層混合結(jié)構(gòu)的豎向變形影響與內(nèi)力分析[A].第九屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].天津：天津大學(xué)，2009:6.

[4] 賈 強(qiáng)，程林林，張 鑫.地基不均勻沉降對(duì)框架結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2011,44(11):79-86.

[5] 孟 江，趙寶俊，劉建梅.混凝土收縮徐變效應(yīng)預(yù)測(cè)模型及影響因素[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,33(2):56-62.

Internalforcemonitoringandanalysisofasuperhigh-risebuildingstructureundertheactionofthedeformation

ZhangXuechenYangDi

(NanningBranchCompany,ChinaRailwayConstructionGroupCo.,Ltd,Nanning530000,China)

In order to study the response of a super high-rise building under the action of the deformation, the monitoring and analysis of the internal forces of 3 key components in different periods were carried out. The results show that, the internal force of vertical member, the reinforced concrete frame beam contact concrete filled steel tubular column with core tube and the reinforced concrete frame beam contact concrete filled steel tube side column with concrete filled steel tube corner columns are considered. And take measures to achieve the set performance goals. The analysis method can be used for the analysis of the internal force of the super high rise structure under the action of deformation.

the action of the deformation, internal force analysis, super high-rise building

1009-6825(2017)23-0038-03

2017-06-04

張學(xué)臣(1976- )，男，高級(jí)工程師

TU311

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