某超高层框架-核心筒结构施工模拟分析

王秀泉

（中国联合工程有限公司，杭州 310052）

1 引言

超高层建筑施工过程中，受结构自重、施工荷载、混凝土收缩、徐变等问题的影响会产生一定的竖向变形。该竖向变形及不同构件变形差将导致建筑标高、层高与结构设计值存在一定的差异，出现附加内力。另外，在竖向荷载作用下，结构中柱、墙、筒等竖向构件会因为承受的竖向力不同，导致竖向变形不同，进而产生较大的竖向变形差。混合结构由于采用了2 种不同材料，这种变形差异将进一步加大。竖向变形差对结构构件和非结构构件均有不利影响，严重时会导致结构破坏影响使用。

2 工程概况

本项目位于杭州市萧山区，地上塔楼为一幢56 层超高层，结构大屋面高度246.8m，停机坪高度256.20m，幕墙构架顶标高264.00m，建筑效果图见图1。整个场地设有满铺的3 层地下室，地下室底板标高为-13.400m。建筑平面为正方形，平面尺度为42m×42m，采用钢框架-混凝土核心筒结构体系。

图1 建筑效果图

3 施工模拟分析模型的建立

3.1 有限元模型的建立

结合本工程施工实际情况，通过Midas Gen 建立结构的有限元模型（见图2），进行施工全过程分析。分析时采用施工精确模拟分析方法仅考虑结构自重以及施工荷载对结构的影响，同时考虑施工过程中楼层找平、混凝土强度发展、收缩徐变等因素的影响。

图2 结构模型

3.2 计算假定

进行施工精确模拟确定结构在施工中的受力及变形状态采用以下假定：

1）结构逐段或逐层施工，混凝土达到一定强度后再拆除模板，结构自身承力；

2）下部已施工楼层的荷载对上部未施工楼层受力没有影响，上部楼层变形作为荷载施加在下部楼层上，结构变形是叠加的；

3）结构基础整体性良好，结构地基基础的沉降是均匀的，结构构件的竖向变形不受基础沉降的影响。

3.3 计算依据及理论

有关混凝土的收缩徐变模式和计算方法很多，当前国内外常用的模式主要有：CEB-FIP 模式、B3 模式、ACI-209 模式等。其中，CEB-FIP 模式是欧洲混凝土协会（CEB）和国际预应力混凝土协会（FIP）1978 年建议的，为我国交通部公路预应力混凝土桥梁设计规范（1985）所采用。它采用滞后弹性变形（可恢复的徐变）与塑性变形（不可恢复的徐变）相加的徐变系数表达式，并将塑性变形分为初始流变和延迟塑性变形2 部分。

本文通过 Midas Gen 软件，采用 CEB-FIP 模型【1】考虑混凝土材料的时变特性，进行全过程施工模拟分析。

由于在施工过程中，结构只承受自身重力及施工中的荷载，其他荷载影响较小。本文建模过程汇总施工中荷载主要包括：结构自重以及施工活荷载。其中，施工荷载考虑结构及施工特性取为 2.5kN/m2【2】。

4 施工模拟分析结果

4.1 钢管混凝土柱分析结果

框架角柱和边柱分别采用一次加载和施工模拟分析所得的竖向弹性变形量对比见图3 和图4。施工模拟分析时，框架柱的变形沿结构高度呈现出鱼腹状变化趋势，竖向位移的最大值出现在中部楼层，其中角柱变形峰值为44.5mm，边柱变形峰值为46.8mm；按一次加载分析时，不考虑施工找平调整，框架柱的竖向变形沿结构高度不断增大，最大变形发生在结构顶部，其中，角柱变形峰值为93.5mm，边柱变形峰值为101.2mm。

图3 角柱竖向变形量计算结果对比

图4 边柱竖向变形量计算结果对比

4.2 核心筒分析结果

主体结构施工完成时，核心筒在收缩、徐变及恒荷载作用下竖向变形的影响曲线见图5。各工况下竖向变形趋势相同，均在36 层附近达到竖向变形峰值，顶部及底部楼层变形相对较小。从峰值大小看，恒荷载产生的变形最大（32.1mm），徐变效应次之（13.1mm），收缩效应影响最小（2.5mm），三者累积最大变形和为47.7mm。

核心筒自开始施工至完成施工后5a 内累计收缩变形量见图6。施工完成时，由于施工阶段找平影响，底部早已开始收缩，顶部刚刚浇捣，因此，收缩变形沿楼层接近于鱼腹状曲线。使用阶段随着时间的推移，收缩效应引起的竖向位移峰值所在的楼层逐步上移，由施工结束时对应的36 层，1a 后上升至顶层。5a 后收缩引起的竖向变形峰值由2.5mm 增加至16mm。

图5 施工完成各工况下核心筒竖向变形

图6 核心筒楼累计收缩变形

核心筒自开始施工至完成施工后5a 内累计徐变变形量见图7。使用阶段随着时间的推移，收缩效应引起的竖向位移峰值所在的楼层逐步上移，由施工结束时对应的36 层，5a 后上升至48 层。徐变引起的竖向变形峰值也由13.1mm 增加至23.9mm。

核心筒自开始施工至完成后5a 内累计竖向变形（弹性+收缩+徐变）见图8。可见，徐变效应和收缩效应在开始阶段引起的变形都增长较快，但随时间变形速率逐渐减小。虽然使用阶段，随着时间的推移，徐变效应和收缩效应引起的竖向位移峰值所在楼层逐步上移，但总的竖向变形仍呈鱼腹状曲线，总的竖向变形峰值由47.7mm 增加至64.9mm。

图7 核心筒楼累计徐变变形

图8 核心筒楼累计总竖向变形

4.3 框架柱与核心筒变形差分析结果

表1 为考虑结构收缩、徐变效应施工模拟，以及恒荷载作用下钢管混凝土柱与核心筒竖向变形差计算结果，可见施工完成时框架柱与核心筒之间存在变形差，并且随着时间的推移，变形差会加大。

5 结语

本文通过对一幢超高层施工过程数值模拟，分析了该超高层混合结构竖向变形规律，得到以下结论：

1）一次性加载的一般分析并不能反映超高层结构的竖向变形规律，需要进行施工过程数值模拟，才能得到与实际一致的竖向变形结果。

表1 墙柱竖向变形差比较 mm

2）在施工完成时，核心筒的竖向变形均以弹性压缩变形及混凝土的徐变为主，收缩变形所占比例相对较小。

3）随着时间的推移，徐变效应和收缩效应引起的竖向位移峰值所在楼层逐步上移，但总的竖向变形仍呈鱼腹状曲线。

4）施工完成时，框架柱与核心筒之间存在变形差，并且随着时间的推移，变形差会加大，设计中需要考虑变形引起的附加内力。