基于桁架內(nèi)力控制的混合結(jié)構(gòu)豎向變形補(bǔ)償方法研究

夏 飛 伍小平 李 兵 嚴(yán)再春

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

超高層建筑的設(shè)計(jì)使用壽命為50 a甚至100 a，在豎向荷載的長(zhǎng)期作用下會(huì)產(chǎn)生較大的豎向變形?；旌辖Y(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的截面和材料特性等不相同，所分配的荷載亦不盡相同，從而在其間產(chǎn)生豎向變形差，如型鋼混凝土巨型柱和鋼筋混凝土核心筒之間。當(dāng)豎向構(gòu)件間的差異變形較大時(shí)，將會(huì)在聯(lián)系巨柱和核心筒的桁架層間貯存較大附加內(nèi)力。周緒紅等[1]通過(guò)多種補(bǔ)償方案的比較，提出鋼框架-鋼筋混凝土核心筒體系豎向變形差異的樓層優(yōu)化補(bǔ)償方案。傅學(xué)怡等[2-3]提出在施工中對(duì)豎向構(gòu)件適當(dāng)預(yù)留以補(bǔ)償預(yù)計(jì)的豎向構(gòu)件變形的設(shè)計(jì)理念與方法，實(shí)現(xiàn)在設(shè)定階段豎向構(gòu)件達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。Park[4]在Fintel分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)豎向變形差異進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

本文從控制混合結(jié)構(gòu)桁架層間內(nèi)力的角度，結(jié)合考慮桁架層兩側(cè)的豎向差異變形允許值、桁架層封閉時(shí)間以及豎向補(bǔ)償值有效性等影響因素，實(shí)現(xiàn)桁架層內(nèi)貯存的內(nèi)應(yīng)力最小，使結(jié)構(gòu)受力處于安全狀態(tài)。

1 桁架層封閉時(shí)機(jī)與補(bǔ)償值的時(shí)效性

如何釋放與控制桁架層間的次內(nèi)力，設(shè)計(jì)與施工人員想了許多辦法，最為常見(jiàn)的有以下2種辦法：

1）在確保結(jié)構(gòu)整體性、安全性的同時(shí)，盡可能晚地封閉結(jié)構(gòu)各區(qū)段桁架層。通常，桁架層封閉時(shí)間越早，由于桁架層兩側(cè)巨型柱和核心筒之間的豎向變形尚未穩(wěn)定，將在桁架層內(nèi)部產(chǎn)生較大的次內(nèi)力；反之，桁架層封閉時(shí)間越晚，桁架層兩側(cè)豎向變形趨于穩(wěn)定，桁架層內(nèi)部貯存的次內(nèi)力將較小。

2）調(diào)整巨柱與核心筒間的差異變形量值，控制桁架層兩側(cè)的最終變形量，進(jìn)而有效減小桁架層內(nèi)部的次內(nèi)力。

因桁架層封閉后，桁架兩側(cè)差異變形引起桁架間內(nèi)力，無(wú)法通過(guò)調(diào)整巨柱、核心筒間的差異變形來(lái)減小桁架間內(nèi)力。為此，文中計(jì)算分析桁架層封閉前桁架兩側(cè)的豎向變形值，并對(duì)兩側(cè)的差異量值予以補(bǔ)償。

2 豎向變形補(bǔ)償方法

在整個(gè)超高層混合結(jié)構(gòu)施工期間，桁架層封閉時(shí)機(jī)的優(yōu)化選擇以及核心筒、巨柱豎向變形補(bǔ)償值的設(shè)定對(duì)結(jié)構(gòu)次內(nèi)力的控制相當(dāng)重要。為此，這里依據(jù)混合結(jié)構(gòu)各區(qū)段桁架計(jì)算的內(nèi)力值，繪制了巨柱、核心筒豎向變形補(bǔ)償量的分析流程圖（圖1）。

圖1 補(bǔ)償值流程

2.1 桁架兩側(cè)差異變形允許值

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)控制的桁架層間內(nèi)力的大小，判斷連接桁架兩側(cè)核心筒、巨柱的最大豎向差異變形允許值。其次，可依據(jù)JGJ 3—2015《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求，連接桁架兩側(cè)的核心筒、巨柱豎向變形允許值為l/400。

2.2 桁架封閉時(shí)機(jī)

一般來(lái)說(shuō)，混合結(jié)構(gòu)的桁架層，封閉越晚，其次內(nèi)力越小。但是，受施工期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性等因素影響，桁架層過(guò)晚封閉可能會(huì)使構(gòu)筑物處于危險(xiǎn)狀態(tài)。因此，在綜合考慮建筑物施工安全性的前提下，桁架層封閉時(shí)間盡可能晚些。

另外，在考慮核心筒、巨柱豎向變形補(bǔ)償方案時(shí)，應(yīng)本著“優(yōu)先調(diào)整桁架層封閉時(shí)間，其次對(duì)豎向差異補(bǔ)償值適量補(bǔ)償”的思路。

2.3 桁架內(nèi)力分析

在桁架封閉前，計(jì)算巨柱、核心筒各自的豎向變形值，并予以補(bǔ)償分析。分析補(bǔ)償后桁架間內(nèi)力，確定最終的補(bǔ)償值是否合適。

3 工程算例

上海中心大廈位于上海市浦東新區(qū)陸家嘴金融中心區(qū)Z3-1、Z3-2地塊，毗鄰金茂大廈和上海環(huán)球金融中心。大廈立面形態(tài)為由三段圓弧構(gòu)成的圓倒角三邊形，旋轉(zhuǎn)上升并均勻縮小，演進(jìn)為一個(gè)平滑光順的非線性扭曲面，形成了大廈獨(dú)特的立面造型（圖2）。上海中心大廈是1幢綜合性大型超高層建筑，由超高層塔樓、裙房及地下室建筑組成，塔樓建筑高度632 m，地下5層，地上124層，大樓沿豎向劃分9個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)由2層高的設(shè)備層及避難層分隔。

圖2 上海中心大廈

上海中心大廈采用“巨型框架-核心筒-外伸臂桁架”結(jié)構(gòu)體系。在8個(gè)加強(qiáng)區(qū)域布置6道2層高外伸臂桁架和8道箱形空間桁架，箱形空間桁架和巨柱形成外圍巨型框架。該體系由以下3個(gè)部分組成：第1部分為內(nèi)埋型鋼或鋼板的鋼筋混凝土核心筒；第2部分為由8根巨柱、4根角柱（僅布置在地下室及1～5區(qū)）、8道2層高的箱形空間桁架（位于各區(qū)設(shè)備層）組成的巨型框架；第3部分為6道2層高連接上述兩者的外伸臂桁架，分別位于2、4、5、6、7、8區(qū)的設(shè)備層。豎向構(gòu)件巨柱及核心筒的基本參數(shù)如表1所示。

上海中心大廈施工周期長(zhǎng)，巨柱、核心筒豎向差異變形，使桁架層間貯存較大的次內(nèi)力。以大廈4區(qū)為例（圖3），根據(jù)混合結(jié)構(gòu)豎向變形補(bǔ)償流程，分步驟對(duì)該區(qū)段核心筒、巨型柱的豎向補(bǔ)償值進(jìn)行分析。

3.1 豎向差異變形允許值及桁架層封閉時(shí)間

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求，核心筒、巨柱間的間距為7 900 mm，兩者豎向差異變形允許值為19.75 mm。

表1 巨柱、核心筒基本參數(shù)

圖3 4區(qū)桁架結(jié)構(gòu)平面示意

桁架層封閉時(shí)間受混凝土強(qiáng)度、筒體剛度以及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性等因素影響，在綜合考慮建筑物的施工工藝要求及安全性前提下，各區(qū)桁架最晚封閉時(shí)間為：施工至4區(qū)桁架層，封閉2區(qū)桁架層；施工至5區(qū)桁架層，封閉4區(qū)桁架層；施工至6區(qū)桁架層，封閉5區(qū)桁架層，依此類(lèi)推。

3.2 巨柱、核心筒補(bǔ)償值分析

依據(jù)結(jié)構(gòu)施工工序，運(yùn)用數(shù)值方法對(duì)4區(qū)桁架封閉時(shí)以及結(jié)構(gòu)完成時(shí)構(gòu)筑物的豎向變形進(jìn)行了施工過(guò)程模擬分析（表2、圖4）。

表2 豎向構(gòu)件變形量

按既定的桁架封閉方案，4區(qū)桁架層封閉時(shí)，核心筒、巨柱差異變形量δ11為14.36 mm〔圖4（c）〕?？梢?jiàn)，封閉4區(qū)桁架層前，核心筒、巨柱豎向差異變形量有效補(bǔ)償值為14.36 mm。

圖4 豎向構(gòu)件變形示意

3.3 區(qū)段補(bǔ)償后桁架內(nèi)力分析

桁架兩側(cè)豎向差異補(bǔ)償后桁架內(nèi)力分析，采用延后封閉桁架兩端豎向變形差異值與補(bǔ)償后計(jì)算的桁架兩端豎向變形差異值等效的思路，即以延后封閉桁架計(jì)算得到內(nèi)力值等效補(bǔ)償后桁架的內(nèi)力值。

采用該方法，上海中心大廈4區(qū)桁架兩側(cè)差異變形經(jīng)補(bǔ)償后，桁架間內(nèi)應(yīng)力有相應(yīng)減?。▓D5）。

圖5 4區(qū)桁架應(yīng)力變化示意

結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，核心筒、巨柱豎向變形不進(jìn)行補(bǔ)償，4區(qū)桁架內(nèi)的斜腹桿應(yīng)力值為41 MPa；補(bǔ)償后，斜腹桿應(yīng)力值為16.4 MPa，比豎向變形不補(bǔ)償時(shí)應(yīng)力減小60%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

1）從控制桁架間內(nèi)力的角度，給出了混合結(jié)構(gòu)的豎向差異變形的補(bǔ)償流程。

2）采用延后封閉桁架兩端豎向變形差異值與補(bǔ)償后計(jì)算的桁架兩端豎向變形差異值等效的思路，分析差異變形補(bǔ)償后桁架間的內(nèi)力。

3）以上海中心大廈4區(qū)為例，分析了該區(qū)段巨柱、核心筒的補(bǔ)償值，并探討了補(bǔ)償前、后桁架間的內(nèi)應(yīng)力，說(shuō)明采用該豎向變形補(bǔ)償方法將顯著改善桁架間內(nèi)力。