某超高層項(xiàng)目施工模擬分析

陳旭淼，蘇恒強(qiáng)，吳桂廣

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510010）

0 前言

結(jié)構(gòu)體系在施工過程是一個(gè)材料及受力不斷變化的過程，包括材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度以及荷載條件均為動態(tài)的過程。一般超高層核心筒剪力墻構(gòu)件先于其余構(gòu)件施工，但結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方法是針對使用階段的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次性加載或簡單的施工模擬，僅考慮結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的彈性變形，建筑正常使用階段在不同工況和荷載組合下構(gòu)件內(nèi)力和變形進(jìn)行分析。因此并未考慮施工過程中塔吊荷載、爬模荷載、混凝土強(qiáng)度時(shí)效性等施工因素的影響［1-2］。

爬模施工為超高層核心筒剪力墻常使用的工法，由于核心筒內(nèi)水平梁板構(gòu)件滯后施工，核心筒剪力墻計(jì)算高度與施工圖設(shè)計(jì)假定不一致，根據(jù)安全生產(chǎn)要求，需對核心筒超前施工部分的局部薄弱剪力墻穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核［3］。針對上述問題，對核心筒施工過程開展模擬仿真分析，可得到以下成果［4-5］：

⑴施工過程中核心筒剪力墻整體受力變化。

⑵施工過程中核心筒單片剪力墻局部及整體穩(wěn)定性。

⑶復(fù)核施工荷載對核心筒變形、軸壓比及核心筒施工圖實(shí)配鋼筋的要求［6-7］。

1 工程概況

1.1 基本條件

某項(xiàng)目總建筑面積約為20萬m2，地上建筑面積約為17萬m2。項(xiàng)目建筑高度346 m，地上75層，地下3層。安全等級為一級、次要構(gòu)件為二級，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為乙類，建筑抗震設(shè)防烈度為7度。

結(jié)構(gòu)形式采用結(jié)構(gòu)類型為復(fù)合外圍框架（鋼管混凝土柱+鋼梁）+帶狀桁架+鋼筋混凝土核心筒組成的框架-核心筒結(jié)構(gòu)。塔樓平面為三角形布置，在3個(gè)端部共設(shè)有6根巨柱。在沿塔樓高度的3處機(jī)電層增加帶狀桁架和伸臂桁架以提升塔樓剛度。

本項(xiàng)目特點(diǎn)為31層以下核心筒為雙筒結(jié)構(gòu)，32層以上為單筒結(jié)構(gòu)，如圖1所示?，F(xiàn)場爬模布置在核心筒頂部，重達(dá)665 t，采用1臺內(nèi)爬塔吊附著在核心筒，內(nèi)爬塔吊由兩道支撐鋼梁承受塔吊荷載，下部鋼梁主要承受豎向荷載，上部鋼梁主要承受水平荷載。核心筒內(nèi)壁截面沿豎向逐步收小，按實(shí)際設(shè)計(jì)剪力墻后進(jìn)行施工模擬分析。

圖1 雙核心筒結(jié)構(gòu)平面Fig.1 Double Core Wall Plan

根據(jù)施工組織要求，核心筒超前施工于核心筒內(nèi)梁板及核心筒外鋼梁施工，核心筒外部樓板落后于鋼梁5層施工，如圖2所示。需驗(yàn)算的最大核心筒超前施工層數(shù)具體為：

圖2 核心筒超前施工示意圖Fig.2 Diagram of Advanced Construction for Core Tube

⑴31層以下：核心筒超前筒內(nèi)梁板及核心筒外部鋼梁15層。

⑵32層以上：核心筒超前筒內(nèi)梁板及核心筒外部鋼梁12層。

1.2 混凝土?xí)r效性

考慮混凝土施工時(shí)效性，根據(jù)歐洲混凝土規(guī)范《CEB-FIPModel Code 1990》［8］采用的數(shù)字表達(dá)式為：

式中：fc（t）為t時(shí)刻的混凝土抗壓強(qiáng)度；fc為28 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度；βt為混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律；S為取決于水泥種類的系數(shù)，混凝土齡期t日時(shí)的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式的系數(shù)S，取決于水泥種類，對于普通水泥取0.25，混凝土強(qiáng)度系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系如表1所示。

根據(jù)施工現(xiàn)場試件提供的數(shù)值，混凝土強(qiáng)度系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系如表1所示。

表1 混凝土?xí)r效性理論和實(shí)測值Tab.1 Theoretical and Practical Value of Strength Responses of Concrete

施工模擬分析混凝土強(qiáng)度按理論值與項(xiàng)目實(shí)測值進(jìn)行包絡(luò)，取施工現(xiàn)場提供的強(qiáng)度進(jìn)行核算。

根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖，31層以下的雙核心筒混凝土按最終強(qiáng)度為C60驗(yàn)算，32層以上的單核心筒混凝土強(qiáng)度按C50進(jìn)行驗(yàn)算，混凝土強(qiáng)度模擬取值如表2所示。

表2 混凝土強(qiáng)度模擬取值Tab.2 Simulation Value of Concrete Strength

1.3 工況選取

由于上下兩段核心筒超前層數(shù)不同，以31層作為分界，31層以下和32層以上分別選取3個(gè)較不利工況進(jìn)行分析，較不利施工工況分析模型設(shè)置如下：

⑴31層及以下的施工工況分析模型包括1～26層分析模型（簡稱工況1），1～28層分析模型（簡稱工況2）和1～30層分析模型（簡稱工況3），如圖3?所示。

⑵32層以上的施工工況分析模型包括1～69層分析模型（簡稱工況4），1～71層分析模型（簡稱工況5）和1～73層分析模型（簡稱工況6），如圖3?所示。

圖3 施工工況示意圖Fig.3 Diagram of Case Analysis

1.4 荷載條件

⑴由于核心筒爬模施工，僅超前施工剪力墻及連梁，因此超前筒體不考慮其內(nèi)部樓板的水平支撐作用。由于核心筒外部樓板落后拉結(jié)鋼梁5層，且不考慮落后的5層樓板支撐作用，如表3所示。

表3 基本組合工況Tab.3 Case Analysis of Basic Combination

⑵施工模擬僅考慮風(fēng)荷載水平作用，不考慮水平地震作用?；撅L(fēng)壓、風(fēng)振系數(shù)、體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》及原設(shè)計(jì)資料取值，其中結(jié)構(gòu)粗糙度取B，體型系數(shù)取1.4，風(fēng)壓按10年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓0.25 kN/m2。

⑶核心筒爬模施工層按增加一層計(jì)算風(fēng)荷載及自重，荷載按結(jié)構(gòu)層方式輸入，強(qiáng)度設(shè)為C5，層高按5.0 m考慮。

⑷考慮施工人員荷載及主要堆載重量，取不利工況5 kN/m2的施工荷載計(jì)算。

⑸考慮665 t爬模加載于核心筒頂面，荷載取16.25 kN/m2復(fù)核。施工階段核心筒筒體內(nèi)部超前部分不施工普通梁板，只考慮剪力墻及連梁受力，爬模示意如圖4所示。

圖4 爬模平面布置Fig.4 Floorplan of Climbing Shuttering Method

⑹根據(jù)爬模方案提供的數(shù)據(jù)，內(nèi)爬框2層承重鋼梁層差為4層，下層基座荷載每個(gè)支點(diǎn)的豎向力為1 810 kN，水平力為317 kN，共4個(gè)支點(diǎn)；上層只考慮水平荷載作用，每個(gè)支點(diǎn)水平力為563 kN，共4個(gè)支點(diǎn)。

⑺變形計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)組合。

⑻構(gòu)件承載力計(jì)算采用荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值，復(fù)核過程采用原設(shè)計(jì)條件，恒、活荷載分項(xiàng)系數(shù)分別取1.2、1.4，組合如表3所示。

2 墻體計(jì)算長度

采用SAP2000的屈曲分析功能計(jì)算，在結(jié)構(gòu)整體模型中考慮剪力墻的彈性約束，得到真實(shí)的約束條件。通過穿層墻的頂部或中部施加豎向單位力，進(jìn)行屈曲分析后得到剪力墻的屈曲模態(tài)以及屈曲荷載系數(shù)，即可求得單位力以下高度墻肢的屈曲臨界荷載，再通過歐拉公式得到單位力以下高度墻肢的計(jì)算長度Le［8-9］。

分別驗(yàn)算單位均布力和單位集中力對剪力墻計(jì)算長度的影響，剪力墻計(jì)算長度取較大值驗(yàn)算單片墻的穩(wěn)定性和承載力，如圖5所示。

圖5 單位力加載示意圖Fig.5 Diagram of Unit Force Loading

2.1 局部穩(wěn)定性計(jì)算

選取1～73層模型（工況6）作為分析對象，根據(jù)屈曲結(jié)果發(fā)現(xiàn)墻肢的空間效應(yīng)較為明顯，因此選取整段墻肢驗(yàn)算計(jì)算長度，單片剪力墻平面定位如圖6所示。取右側(cè)較不利墻肢進(jìn)行屈曲分析，同時(shí)由于該墻肢的連梁長度較短，62～73層屈曲模態(tài)如圖7所示。

圖6 單片剪力墻平面定位（工況6）Fig.6 Floorplan of the Shell wall Position for Case Analysis 6

圖7 62～73層屈曲模態(tài)Fig.7 Buckling Mode of 62～73 Floor

從均布力和集中力的剪力墻計(jì)算長度結(jié)果可得，采用均布力比集中力的計(jì)算長度小，原因是采用均布力時(shí)，周邊的剪力墻對驗(yàn)算的墻肢約束更強(qiáng)，故采用集中力進(jìn)行驗(yàn)算。

進(jìn)行剪力墻承載力計(jì)算時(shí)，當(dāng)計(jì)算長度大于10 m時(shí)，取最大值16 m，當(dāng)計(jì)算長度小于10 m時(shí)，取10 m，如圖8所示。

圖8 62～73層計(jì)算長度結(jié)果Fig.8 Effective Length of 62～73 Floor

2.2 整體穩(wěn)定性計(jì)算

對整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，如圖9所示。從結(jié)構(gòu)整體剛重比和屈曲因子結(jié)果（見表4）可知，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性滿足文獻(xiàn)［10］要求。

表4 1～73層剪力墻面外屈曲模態(tài)Tab.4 Result of Buckling Modeling for 1～73 Floor

圖9 1～30層及1～72層剪力墻面外模型屈曲模態(tài)Fig.9 Shell Wall Buckling Modeling for 1～30 Floor and 1～72 Floor

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 風(fēng)位移角結(jié)果

從表5可得，風(fēng)荷載作用下層間位移角結(jié)果均滿足文獻(xiàn)［10］要求，最大為工況6，結(jié)果為1/1 243，位移角如圖10所示。

表5 工況1～6風(fēng)位移角計(jì)算結(jié)果Tab.5 Drift Ratio Result of Case Analysis 1～6

圖10 風(fēng)荷載作用下工況6位移角Fig.10 Drift Ratio Graph of Case Analysis 6

3.2 軸壓比結(jié)果

從工況1～6的軸壓比結(jié)果可得，施工階段考慮混凝土?xí)r效性，軸壓比均小于0.25，均滿足設(shè)計(jì)及施工要求。

3.3 配筋結(jié)果

⑴從工況1～6的配筋結(jié)果可得，除個(gè)別構(gòu)件以外，核心筒超前施工各層的構(gòu)件計(jì)算配筋均遠(yuǎn)小于施工圖配筋，構(gòu)件承載力和單片剪力墻的穩(wěn)定性滿足文獻(xiàn)［10］要求。

⑵經(jīng)復(fù)核，46層以上連梁截面300 mm×1 200 mm及400 mm×850 mm承受塔吊底座鋼梁較大的豎向荷載作用，軸壓比超限，施工階段需對該連梁加大截面或內(nèi)置鋼骨處理。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)施工仿真模擬分析結(jié)果，對施工組織要求的施工進(jìn)度的超前計(jì)劃，經(jīng)復(fù)核該施工方案可行。但部分構(gòu)件承受過大的施工荷載，抗剪截面不足，需通過加大連梁截面或內(nèi)置型鋼進(jìn)行加強(qiáng)。

根據(jù)屈曲模態(tài)結(jié)果，選取不利墻肢加載單位力，得到墻肢的真實(shí)計(jì)算長度。對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)剛重比最小值及第一平動屈曲模態(tài)特征值λ均大于規(guī)范值，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求。

復(fù)核工況1～6號模型考慮風(fēng)荷載水平作用對施工過程的影響，其中最大位移角為1/1 243，滿足文獻(xiàn)［10］要求；對核心筒軸壓比、配筋結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，均滿足文獻(xiàn)［10］要求。

通過對超高層項(xiàng)目的核心筒超前施工的全過程進(jìn)行仿真分析，以及結(jié)算結(jié)果對比，對施工整體安全性作出全面的評估，并找出施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，為安全施工提出建議，也為同類型項(xiàng)目的施工分析方法提供借鑒［11］。