超高层体系核心筒结构领先外框结构的施工技术分析

曹建中

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

1 工程概况

上海黄浦江南延伸段WS5单元188S-H-2地块发展项目位于上海市徐汇区，总建筑面积约254 498.56 m2，地上总建筑面积约190 297.82 m2，地下总建筑面积约64 200.74 m2（其中人防建筑面积约9 659 m2），主要由1栋61层塔楼（建筑高度285 m，框架-核心筒结构）、1栋4层裙房（建筑高度21.6 m，框架结构）、1栋1层35 kV开关站（建筑高度5.7 m）及3层地下室（地下室深度16.7 m，框架-剪力墙结构）组成。

2 问题背景

根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中第13.10.5条条文要求：“核心筒应先于钢框架或型钢混凝土框架施工，高差宜控制在4～8层，并应满足施工工序的穿插要求”。若按照核心筒结构施工领先外框结构4～8层的方式进行超高层结构施工，核心筒及外框结构施工工期将为10 d/层。

通过施工部署（图1），核心筒领先外框结构施工的相差层数，理想化状态是13层。但外框钢结构施工往往受制于原材的采购、钢构件的加工与运输、现场吊装条件等相关因素，通常会对现场施工产生一定的延误。因此实际施工时，核心筒进度快于外框钢结构施工，相差楼层达14～15层，与结构技术规程互相矛盾，特通过施工部署以及结构验算进行论证[1-2]。

图1 结构施工示意

3 研究过程

3.1工况划分

根据施工过程中，核心筒、外围钢结构与外围楼板不同的施工进度所导致的施工楼层差异，综合考虑不同层高下核心筒区域墙体的厚度变化，共建立4种不同的工况，分析4种情况下的核心筒墙体安全性能。

工况1：核心筒29层、外围钢结构16层、外围楼板14层：核心筒区域施工楼层达到29层，顶部标高为127 m，此时结构外围钢结构施工楼层达到16层，与核心筒施工楼层相差15层；结构外围楼板施工达到14层，15层与16层的楼板尚未施工。核心筒区域墙体1～2层厚度为1.1 m，3～17层厚度为1 m，18～29层厚度为0.8 m。

工况2：核心筒42层、外围钢结构30层、外围楼板27层：核心筒区域施工楼层达到42层，顶部标高为186 m，此时结构外围钢结构施工楼层达到30层，与核心筒施工楼层相差12层；结构外围楼板施工达到27层，28～30层的楼板尚未施工。核心筒区域墙体30～38层厚度为0.6 m，39～42层厚度为0.4 m。

工况3：核心筒52层、外围钢结构40层、外围楼板37层：核心筒区域施工楼层达到52层，顶部标高为231 m，此时结构外围钢结构施工楼层达到40层，与核心筒施工楼层相差12层；结构外围楼板施工达到37层，38～40层的楼板尚未施工。核心筒区域墙体43～52层为0.4 m。

工况4：核心筒61层、外围钢结构50层、外围楼板47层：核心筒区域施工楼层达到61层，顶部标高为275 m，此时结构外围钢结构施工楼层达到50层，与核心筒施工楼层相差12层；结构外围楼板施工达到47层，48～50层的楼板尚未施工。核心筒区域墙体53层厚度为0.4 m，54～61层厚度为0.35 m。

3.2分析内容

采用Midas/Gen软件建立本项目核心筒结构在不同工况下的有限元数值模型，详细分析不同工况下核心筒墙体的力学响应，从而验算核心筒区域墙体的安全性能，保证墙体在施工过程中不被破坏。主要分析内容如下：核心筒区域墙体的应力，竖向构件收缩徐变对结构整体的影响，墙体整体稳定性的验算，核心筒连梁承载力验算。

3.3结果分析

3.3.1 竖向构件收缩徐变对结构整体的影响

施工期间核心筒领先外框柱，对于由此带来的混凝土收缩徐变产生的竖向差异变形，分析如下：由于核心筒墙体较长，在竖向荷载下，墙体轴压比远小于外框柱轴压比。由此导致外框柱在竖向荷载下产生的压缩变形及徐变要大于核心筒墙体，造成外框柱竖向总体压缩量大于核心筒墙体竖向压缩量。而现场核心筒领先外框，如此反而能增加核心筒墙体轴压比，增加核心筒墙体竖向压缩量及徐变量，即增加核心筒总的竖向压缩量，从而减小核心筒和外框柱两者因竖向压缩量不同而造成的变形差。总体来说，这对协调内筒与外框的竖向变形差异、控制附加内力是有利的。

3.3.2 个别墙体整体稳定性的验算

在工况4中，核心筒区域出现了350 mm厚的墙体，个别墙体接近顶部时墙厚较薄，核心筒左下角墙体有内部塔吊关系，导致竖向无楼板，竖向无支长度按照4层（塔吊4层一爬升）计算。通过计算，只要当核心筒区域剪力墙的最大压应力小于8.4 MPa，即可满足个别墙体的整体稳定性要求。工况4中核心筒区域墙体压应力的结果详见3.3.3节中的数值模拟结果。

3.3.3 数值模拟结果

1）工况1主拉应力结果。工况1中，核心筒为29层，外围楼板为14层，外围钢结构为16层。计算结果表明，核心筒整体墙面拉应力均控制在1 MPa以下。

2）工况2主拉应力结果。工况2中，核心筒为42层，外围楼板为27层，外围钢结构为30层。由计算结果可以发现，核心筒整体墙面拉应力均控制在1 MPa以下，仅在局部部位出现应力集中。主拉应力集中区域为墙单元与连梁单元连接处或者墙单元与外围钢结构连接处，主要原因是数值模拟过程中，连梁使用梁单元进行模拟，而剪力墙则采用板单元进行模拟。因此梁单元与板单元的连接处产生了刚度突变，导致了应力集中的现象。

3）工况3主拉应力结果。工况3中，核心筒为52层，外围楼板为37层，外围钢结构为40层。计算结果表明，核心筒整体墙面拉应力均控制在1 MPa以下，仅在局部部位出现应力集中。主拉应力集中区域及原因同工况2。

4）工况4主拉应力结果。工况4中，核心筒为62层，外围楼板为47层，外围钢结构为50层。计算结果表明，核心筒整体墙面拉应力均控制在1 MPa以下，仅在局部部位出现应力集中。主拉应力集中区域及原因同工况2。具体如图2所示。

图2 核心筒区域墙体拉应力分析

5）工况4压应力结果。为了满足个别墙体的整体稳定性要求，核心筒区域剪力墙的最大压应力应小于8.4 MPa。核心筒区域350 mm厚墙体的压应力云图如图3所示。

图3 核心筒区域墙体压应力分析

从上述结果分析中可以发现，350 mm厚墙体的最大压应力为2 MPa，小于8.4 MPa。由此可见，个别墙体的整体稳定性要求可以满足。

3.3.4 连梁配筋验算

根据数值模拟结果，输出连梁弯矩与剪力，并利用理正工具箱进行配筋计算，将计算得到的结果与设计院施工图纸中的连梁配筋进行对比，从而对连梁配筋进行验算。计算结果表明，所有的连梁都满足配筋要求，以工况4中弯矩最大的连梁为例，其最大弯矩如图4所示。

图4 工况4连梁最大弯矩

该连梁梁顶的标高为69.85 m，位于第16层，梁截面尺寸为1 000 mm×900 mm，该梁的弯矩计算结果为569.6 kN·m，剪力计算结果为317.5 kN。通过计算，连梁的配筋满足计算结果。

3.4 小结

1）现场核心筒领先外框，能增加核心筒墙体轴压比，增加核心筒墙体竖向压缩量及徐变量，即增加核心筒总的竖向压缩量。如此反而能减小核心筒和外框柱两者因竖向压缩量不同而造成的变位差，总体来说，对协调内筒与外框的竖向变形是有利的。

2）个别墙体到接近顶部时墙厚较薄，核心筒左下角墙体因有内部塔吊关系，导致竖向无楼板。分析计算后发现，当混凝土墙体压应力均小于8.4 MPa时，墙体的稳定性可以满足要求。从数值模拟的结果可以发现，墙体压应力可以满足要求。

3）由应力云图可以看出，核心筒区域剪力墙大范围的主拉应力均在1 MPa以下，仅在局部节点出现应力集中，大小为2～4 MPa。

4）主拉应力集中区域为墙单元与连梁单元连接处或者墙单元与外围钢结构连接处，主要原因是数值模拟过程中，连梁使用梁单元进行模拟，而剪力墙则采用板单元进行模拟。因此梁单元与板单元的连接处产生了刚度突变，导致了应力集中的现象。在实际施工过程中，并不会存在这种情况。综上所述，在4种工况下，核心筒区域墙体的混凝土拉应力均控制在1 MPa以下，不会产生裂缝。

4 结语

通过施工部署以及相关结构验算得出结论，在核心筒结构领先外框结构施工15层时，结构仍处于安全状态。最后经与业主、监理、设计通过会议协商确定，以核心筒领先外框结构施工15层的节奏进行现场实际施工，最终以核心筒及外框4.5 d/层的进度完成超高层的结构施工。综上所述，在本项目中，核心筒领先于钢框架或型钢混凝土框架施工控制在4～8层时，无法满足实际施工需求，故将核心筒结构领先外框结构施工层数设置为15层最为合适。