三塔连体超高层结构施工阶段竖向变形研究

2021-11-10袁智杰孙广俊伍小平李鸿晶

土木工程与管理学报 2021年5期

袁智杰，孙广俊，伍小平，李鸿晶，孔磊

(1. 南京工业大学 a. 土木工程学院； b. 工程力学研究所，江苏南京 211816；2. 上海建工集团股份有限公司，上海 200080； 3. 广东博意建筑设计院有限公司，江苏镇江 212426)

超高层建筑结构复杂、规模大、施工周期长。施工过程是结构体系动态变化的过程，其材料属性、边界条件、荷载、结构刚度等均会随着时间发生改变[1,2]，且施工方法、顺序的不同都会导致结构的受力体系发生变化[3,4]。相较于普通单塔超高层结构，多塔连体超高层结构需要考虑连接体的影响，其时变特性对塔楼的竖向变形影响更加显著。因此，有必要针对连体超高层结构施工期间竖向变形及其变形规律进行研究。

工程结构的施工力学问题非常普遍[5～10]。目前已有很多单塔超高层结构和少数双连体结构的变形研究。陈灿[11]研究了某一混合结构体系的施工期间竖向变形。王化杰等[12]分析了超高层变形规律及预调值计算方法。周绪红等[13]研究了竖向变形补偿对结构的内力与变形的影响。范峰等[14]进行了上海环球金融中心的竖向变形问题分析。王晓蓓等[15]结合施工监测，研究了上海中心大厦长期的竖向变形。Ma等[16]研究了武汉一对称双塔连体结构的变形问题。汪大绥等[17,18]进行了CCTV新台址的施工模拟及结构分析。

目前，国内外尚无针对三塔连体超高层结构施工期间竖向变形的相关研究。本文以某一非对称三塔连体超高层结构为工程背景，建立了该结构的精细MIDAS/Gen有限元模型，分析追踪其整个施工过程。依据竖向刚度等效原则，建立了该结构的简化模型，分析了连体超高层结构的竖向变形及其规律，并针对塔楼上部结构的后续施工顺序及连廊与塔楼刚接时机的影响进行了讨论，为分析该类连体超高层结构施工期间的竖向变形问题提供了参考，具有一定的工程意义。

1 工程概况

1.1 建筑结构

本工程为一大型综合体，整体结构主要划分为两个部分：

(1)塔楼：T1塔楼共76层(高368.05 m)，T2塔楼共67层(高328.05 m)，T3塔楼共60层(高300.05 m)；

(2)连廊：连接三个塔楼的空中连廊位于整体建筑的第43～49层，高度范围为191.6～232.1 m。

图1 建筑效果图

该工程的结构体系详见表1。

表1 工程结构形式

1.2 施工流程

该工程总体施工路线为：同时施工三栋塔楼至高空连廊处，然后将在裙房顶层已拼装完成的连廊转换桁架提升至高空，完成补缺，焊接固定，最后同时进行各塔楼上部结构的后续施工。

其中，连廊由下部转换桁架和外围连体桁架共同组成。下部转换桁架，呈十字型交叉布置。外围连体桁架分布于塔楼外圈以及连廊外圈，主要由横杆、斜腹杆以及外框柱组成。如图2所示。

此外，根据本工程的施工方案，施工阶段存在一定的基础沉降，但相较于其他因素其对结构的影响很小，故本文计算不考虑该问题。

2 有限元建模

2.1 精细化模型的建立

为了较为精确地模拟该三塔结构在施工期间的竖向变形，基于MIDAS/Gen软件，依据结构施工图，建立包括各塔楼核心筒、外框架柱、楼板、连廊桁架等主要构件在内的结构精细化模型。模型底部采用固接，对结构中部分钢梁及伸臂桁架采用先铰接后固接的安装方式。模型中钢结构采用梁单元进行模拟；核心筒和楼板分别采用墙单元及板单元模拟；型钢混凝土组合结构则采用等效截面法建模。混凝土收缩徐变采用CEB-FIP(1990)本构模型。预设核心筒领先外框架6层施工，共划分28个施工阶段。

2.2 简化模型的建立

为了研究三塔连体超高层结构的竖向变形规律，塔楼上部结构的施工顺序及连廊与塔楼的刚接时机对三塔整体变形差异和关键构件内力的影响，考虑到计算效率及对结构力学本质的反映，拟建立该结构的简化分析模型。

该建筑塔楼的高度与底面积宽度之比较大，轴向刚度对塔楼结构的竖向变形起控制作用，故依据刚度等效原则，将塔楼结构视为悬臂梁单元杆件，建立简化模型。对于连廊，将其视为水平梁单元，分别依据重力和轴向刚度等效原则进行简化建模。依据实际工程结构中各构件的弹性模量Ei、截面积Ai，建立如下等效原则：

数值分析模型的隧洞岩体的温度边界条件可设在离隧洞轴线中心径向2.5D～3D 位置，为减少温度边界影响，取5D为温度边界；高岩温洞段有压圆形隧洞取1#试验洞直径3.0 m，圆形隧洞有限元模型尺寸统一为30 m×30 m，有限元网格内密外疏，重点关注支护结构的温度变化过程，有限元模型见图1。模型初始温度为高岩温岩体的初始温度值，作为初始设定边界条件输入，温度边界条件根据岩体温度不同，作为边界约束条件施加在模型边界上；前述开挖施工、衬砌施工和空置养护的环境温度根据现场实测取值，取支护结构初始温度为36℃。

(1)

式中:E,A分别为简化模型中梁单元的等效弹性模量和等效截面面积。

经计算，拟采用40 m×40 m的矩形截面和C60的混凝土分别对塔楼和连廊进行等效简化模型的建立。建立的精细化模型和简化模型如图3所示。

3 塔楼竖向变形

施工阶段塔楼结构的竖向变形主要由弹性变形和收缩徐变组成。依据MIDAS/Gen有限元分析程序，分别对精细化模型和简化模型进行结构竖向变形及其规律的数值模拟。

3.1 竖向变形规律

简化模型与精细化模型中各塔楼结构的竖向变形规律如图4～6所示。

图4 塔楼T1竖向变形数值结果

图5 塔楼T2竖向变形数值结果

图6 塔楼T3竖向变形数值结果

图4～6中，横坐标表示塔楼的高度，纵坐标表示塔楼的竖向变形，分别反映了在两种模型下，整体结构竣工时各塔楼在不同高度处产生的竖向变形。需要注意的是，该竖向变形是指原设计标高与竣工后实际标高之差。可见，由于连廊对塔楼产生附加应力的作用，各塔楼的竖向变形趋势在连廊位置处将产生一个明显的突变，且最大竖向变形均发生在连廊部位。塔楼结构的竖向变形主要由弹性变形引起，收缩徐变占总变形的32%～35%。

由于考虑的施工找平效应，塔楼上部结构竖向变形呈递减趋势。顶层结构因其自身仍然要产生弹性压缩变形和收缩徐变，故结构顶端竖向变形并不为零。

由于三塔非对称，故各塔楼的竖向变形值互不相同。T1塔楼结构高度最大，工期最长，故其由于自重产生的压缩变形和混凝土发生的收缩徐变均为最大，而T3塔楼的竖向变形最小。

3.2 简化模型与精细化模型对比

如图4～6所示，精细化模型的各塔楼竖向变形规律与简化模型吻合较好，模型中的各塔楼最大竖向变形值如表2所示。

表2 各塔楼最大竖向变形

计算结果接近，证明该等效简化模型反映了塔楼结构的力学本质，能够有效模拟实际结构的竖向变形及其变形规律，可依据该简化模型进一步分析该连体结构的变形及内力影响因素。

4 上部结构施工顺序的影响

为了讨论塔楼上部结构的后续施工顺序对整体结构竖向变形及连廊与塔楼连接处构件内力产生的影响，依据施工方建议，基于简化模型，研究了4个工况，如表3所示。

表3 上部结构施工顺序工况

对4个工况分别进行数值模拟，得到各塔楼结构在连廊处相互间的标高差，结果如图7所示。

图7 上部结构施工顺序对整体结构竖向变形的影响

可见，上部结构的施工顺序不同对塔楼整体竖向变形有一定的影响。由于三塔非对称，T1塔楼最高，T2次之，T3最小，当T1塔楼先施工时，将对T1T2、T1T3间的连廊连接处造成一定的竖向变形差异。当采用工况2或4的方案，即同步施工或先施工T2完毕后同时施工T1和T3，塔楼整体结构之间变形差异相对较小。

选取连廊与三塔楼连接处单元进行各工况下y轴弯矩My与z轴弯矩Mz分析对比，分别如表4～6所示。发现上部结构施工顺序对连廊与塔楼连接处构件内力的影响不大。由于非对称性及三塔耦合效应，单独率先施工某一塔楼的上部结构，并不会增加连廊腋部构件的弯矩，误差均可控制在10%以内。综合考虑整体结构的变形差异、连廊连接处的附加弯矩大小及施工技术的控制，施工时宜按工况4指导施工。

表4 各施工顺序工况对T1塔楼结构内力的影响

表5 各施工顺序工况对T2塔楼结构内力的影响

表6 各施工顺序工况对T3塔楼结构内力的影响

5 连廊与塔楼刚接时机的影响

基于上述研究，针对工况4，讨论连廊与塔楼刚接时机对整体结构竖向变形及结构关键部位内力产生的影响，依据简化模型，研究了3个工况，如表7所示。

表7 连廊与塔楼刚接时机工况定义

对3个工况分别进行数值模拟，得到各塔楼结构在连廊处相互间的标高差，结果如图8所示。

由图8可知，连廊与塔楼的刚接时机对整体竖向变形的影响较大。综合来看，工况1下的连廊处标高差相对较大，而工况2和工况3下的标高差相对较小。

图8 刚接时机对整体结构竖向变形的影响

选取连廊与三塔楼连接处的单元进行各工况下y轴弯矩My与z轴弯矩Mz分析对比，分别如表8～10所示。发现刚接时机对结构内力影响很大。由于三塔非对称，连廊的连接使得原本互相独立的塔楼形成一个整体，产生耦合效应。相对于连廊施工完毕即刻刚接的情况，设置铰支座可使得连廊腋部构件弯矩极大地减小。即适当延迟连廊与塔楼结构的刚接时机有利于减小该处因附加变形产生的附加内力。