李 智

（上海建通工程建設(shè)有限公司， 上海 200090）

上海某超高層塔樓施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)研究

李 智

（上海建通工程建設(shè)有限公司， 上海 200090）

在上海某超高層建筑塔樓施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)研究中，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將材料時(shí)變特性對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形的影響確定為施工過(guò)程關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)控制因素。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬施工過(guò)程，針對(duì)不同施工速率對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形進(jìn)行了分析，計(jì)算表明施工速率對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形影響甚微。為此，按照5d/層施工速率的施工進(jìn)度方案，對(duì)巨型柱、核心筒豎向變形，以及兩者之間的變形差進(jìn)行了分析，確定了符合實(shí)際施工情況的構(gòu)件預(yù)拋高值。通過(guò)事先控制，規(guī)避了施工風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

風(fēng)險(xiǎn)管理；超高層建筑；技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

1 施工階段對(duì)建筑物的影響

通常對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的分析方法是先建立整個(gè)結(jié)構(gòu)模型后，同時(shí)施加荷載進(jìn)行分析。但實(shí)際建筑在施工過(guò)程中是逐級(jí)成型，逐級(jí)加載的，這種施工期間的結(jié)構(gòu)系和施工后結(jié)構(gòu)系的不同，會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果與實(shí)際的機(jī)構(gòu)效應(yīng)存在相當(dāng)大的差異。并且，隨施工階段的不同，構(gòu)件的齡期也將不同。對(duì)于混凝土這種材料隨時(shí)間依存性較大的材料，其彈性模量、強(qiáng)度都在隨時(shí)間變化。尤其是混凝土受徐變、收縮及強(qiáng)度增長(zhǎng)，無(wú)論是在施工期間還是施工結(jié)束后，混凝土應(yīng)變總是在不斷變化中，應(yīng)力也存在一個(gè)再分配的問(wèn)題，其受力狀況更加復(fù)雜。總而言之，當(dāng)結(jié)構(gòu)系隨工程進(jìn)度變化時(shí)，構(gòu)件最大位移有可能發(fā)生在施工期間。故考慮施工階段的時(shí)間依存性對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形的影響是很有必要。

2 超高層建筑施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)管理過(guò)程

在高層混合結(jié)構(gòu)中，由于鋼和混凝土兩種材料的力學(xué)性能差異，施工階段的影響更加顯著，主要原因大致可以分為以下兩類。

(1）常規(guī)分析方法時(shí)，結(jié)構(gòu)一次成型，部分荷載由于實(shí)際不存在的結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算中剛度矩陣的影響，被分配到上部還未施工的樓層中，與實(shí)際施工實(shí)際情況不符，因此產(chǎn)生誤差。

(2）各施工階段的施工荷載會(huì)導(dǎo)致豎向構(gòu)件的不同收縮。這些不同收縮由于計(jì)算方法的不同，對(duì)依據(jù)計(jì)算機(jī)仿真模擬分析結(jié)果識(shí)別結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)有重要影響。

高層鋼-混凝土混合建筑物中，柱、墻、筒等豎向構(gòu)件剛度不同，其受到的壓應(yīng)力也不同，而產(chǎn)生較大的豎向變形差異。而混合結(jié)構(gòu)中的鋼柱和混凝土墻兩種不同的材料，進(jìn)一步加大了這種變形差異。此外，混凝土的收縮和徐變、豎向構(gòu)件的安裝時(shí)間差以及結(jié)構(gòu)不同部位的溫度差異在高層結(jié)構(gòu)中的累積效應(yīng)也將導(dǎo)致豎向構(gòu)件之間的變形差異。這種變形差異會(huì)導(dǎo)致梁構(gòu)件上產(chǎn)生附加的彎矩和剪力，并且對(duì)與梁構(gòu)件相連接的柱、墻等其他構(gòu)件產(chǎn)生不利影響，例如導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件傾斜、墻體開(kāi)裂、幕墻與管道損壞以及電梯受損。

超高層建筑結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，施工環(huán)節(jié)多，存在諸多風(fēng)險(xiǎn)因素。通過(guò)先定性識(shí)別，后采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)模擬施工全過(guò)程，為定量評(píng)價(jià)提供符合要求的樣本數(shù)據(jù)，而后提出處置方案，達(dá)到事先規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的目的。其主要流程如圖 1 所示。

圖 1 超高層建筑施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理流程圖

3 工程概況與研究參數(shù)

3.1 工程概況

上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū) X2 地塊設(shè)計(jì)為獨(dú)具特色的超高層建筑，占地面積約 6.4 萬(wàn) m2，項(xiàng)目規(guī)劃建筑面積約為60 萬(wàn) m2。擬建項(xiàng)目含地下室 4～5 層；裙房 4 層，高度為24 m；1 棟 23 層低座酒店，高度為 85 m；1 棟 57 層南塔樓，高度為 260 m；1 棟 55 層北塔樓，高度為 250 m。塔樓主要為高級(jí)辦公樓、酒店及公寓式酒店，建成后將成為該地區(qū)標(biāo)志性建筑。

其中南北兩座塔樓結(jié)構(gòu)采用鋼與混凝土的組合結(jié)構(gòu)，塔樓抗側(cè)力體系主要由混凝土核心筒、外圍巨型柱承擔(dān)，并設(shè)有三道巨型桁架增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。結(jié)構(gòu)豎向荷載由巨型柱(鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)）和混凝土核心筒共同承擔(dān)。

3.2 研究?jī)?nèi)容

由于鋼、混凝土材料性能迥然，尤其是材料時(shí)變特性的影響，造成結(jié)構(gòu)實(shí)際成形結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算假定不符，產(chǎn)生誤差。高層復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，荷載工況多，結(jié)構(gòu)存在顯著的豎向變形差異。過(guò)大的豎向變形差異成為施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)因素。

混凝土的齡期、收縮、徐變以及構(gòu)件受力不均等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向變形有影響，這些因素均是與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，表現(xiàn)在施工過(guò)程中主要是施工速率的影響。

(1）X2 地塊超高層建筑施工工期短，決定了混凝土澆注后加載齡期早，而過(guò)早的加載齡期對(duì)混凝土的強(qiáng)度、彈性模量、收縮、徐變均有不利影響。如何選擇合理的施工速率控制結(jié)構(gòu)豎向變形，保證工程順利進(jìn)行是一項(xiàng)主要研究?jī)?nèi)容。

(2）選定施工速率之后，確定平差標(biāo)準(zhǔn)，在施工中預(yù)先提高施工標(biāo)高，使結(jié)構(gòu)標(biāo)高在施工期結(jié)束后等于設(shè)計(jì)標(biāo)高，及時(shí)調(diào)整巨型柱與核心筒變形差異，保證工程安全進(jìn)行。

3.3 計(jì)算假定

計(jì)算假設(shè)如下：

(1）本文主要研究上部結(jié)構(gòu)豎向變形，不考慮地基不均勻沉降引起的部分，假定結(jié)構(gòu)與地面剛接。

(2）每 5 層作為一個(gè)豎向變形研究特征層。

(3）討論外圍巨型柱與核心筒變形時(shí)，取同一樓層外圍巨型柱變形平均值與核心筒角部變形平均值進(jìn)行分析。

(4）結(jié)構(gòu)體系在施工期承受自重作用，樓面荷載考慮200 kg/m2，并按面積分配到巨型柱和核心筒上，取荷載標(biāo)準(zhǔn)組合。

(5）不考慮水平荷載和水平構(gòu)件對(duì)豎向變形的影響。

3.4 計(jì)算參數(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表 1，主體主要承重結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)見(jiàn)表 2。

表 1 核心筒墻厚度隨樓層變化情況匯總表

表 2 主要承重結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)匯總表

巨型框架柱外圍截面尺寸由 2 000×2 600 變化到 2 000× 2 000，其內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)勁性骨架變化頻繁，主要承重鋼結(jié)構(gòu)鋼材等級(jí)均為 Q345。

根據(jù)已有施工方案，通過(guò) MIDAS 有限元計(jì)算分析軟件建立結(jié)構(gòu)數(shù)值模型時(shí)，認(rèn)為內(nèi)部混凝土核心筒領(lǐng)先外部結(jié)構(gòu)5 層施工。模型中共劃分 58 個(gè)施工階段，并采用梁?jiǎn)卧M結(jié)構(gòu)中梁柱構(gòu)件，使用梁?jiǎn)卧⑼ㄟ^(guò)釋放梁端約束的方式模擬桁架層中鉸接構(gòu)件，核心筒墻單元基于薄板理論計(jì)算。施工過(guò)程中考慮混凝土材料齡期、收縮、徐變特性時(shí)，均采用CEB-FIP 模型，其具體參數(shù)取值詳見(jiàn)表 3。

表 3 混凝土?xí)r變特性CEB-FIP計(jì)算模型參數(shù)

結(jié)構(gòu)整體模型如圖 2 所示，比較詳盡地反映了整體結(jié)構(gòu)中墻、柱、梁、桁架、板的實(shí)際尺寸和位置關(guān)系，共建立了 35 000 多個(gè)單元，其中墻單元有 7 000 多個(gè)，板單元有 9 300 多個(gè)，梁?jiǎn)卧?19 200 多個(gè)。桁架層也全部采用梁?jiǎn)卧獊?lái)處理，通過(guò)釋放梁端的約束，來(lái)模擬桁架層的受力和變形問(wèn)題。

圖 2 結(jié)構(gòu)整體模型透視圖

4 不同分析方法的結(jié)構(gòu)豎向變形研究

結(jié)構(gòu)施工過(guò)程期間是時(shí)變結(jié)構(gòu)體系，隨著施工過(guò)程的推進(jìn)，結(jié)構(gòu)幾何形狀、邊界條件、荷載狀況不斷變化。混凝土材料的特性也在不斷變化。使用一般整體模型分析方法和考慮施工階段分析方法得出結(jié)果存在不同。采用結(jié)構(gòu)一次整體加載模型與按 5 d/層分析結(jié)果進(jìn)行比較分析，如圖 3 和圖 4所示。

圖 3 整體模型與施工階段模型下巨型柱豎向變形

圖 4 整體模型與施工階段模型下核心筒豎向變形

由上述分析結(jié)果可知：采用整體模型分析時(shí)，外圍巨型柱及核心筒豎向變形隨樓層增加而累計(jì)增長(zhǎng)，其中外圍巨型柱最大豎向變形為 44.6 mm，核心筒最大豎向變形為32.4 mm，均發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂層，最大豎向變形差為 7.5 mm，發(fā)生在結(jié)構(gòu) 45 層處；采用施工階段模型分析時(shí)，外圍巨型柱及核心筒豎向變形在結(jié)構(gòu)底部、頂部小，中間層變形大的特點(diǎn)，其中外圍巨型柱最大豎向變形為 61.7 mm，核心筒最大豎向變形為 34.0 mm，最大豎向變形差為 27.7 mm，均發(fā)生在結(jié)構(gòu) 35 層處。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，整體模型分析法與施工階段分析法得出結(jié)果存在差別。常規(guī)分析手段下，認(rèn)為結(jié)構(gòu)一次成型，荷載一次施加，未考慮施工過(guò)程中無(wú)形補(bǔ)償?shù)牟糠纸Y(jié)構(gòu)變形(施工前變形）。因此，結(jié)構(gòu)豎向變形曲線呈現(xiàn)出逐漸累加遞增的特點(diǎn)。而在實(shí)際施工條件下，通過(guò)絕對(duì)標(biāo)高控制法已經(jīng)無(wú)形補(bǔ)償了施工前變形，結(jié)構(gòu)實(shí)際變形應(yīng)為上部荷載引起的結(jié)構(gòu)變形(施工后變形）。結(jié)構(gòu)施工后變形由上部荷載引起，荷載越大，變形越大，豎向變形曲線理論上應(yīng)逐漸遞減，本模型采用了結(jié)構(gòu)底部固接假定，因而豎向變形在結(jié)構(gòu)底部為零，隨后逐漸增大，繼而再減小的“中間大，兩頭小”的分布特征。因此，在符合模型計(jì)算假定的情況下，采用施工階段分析法更符合實(shí)際工程情況。

5 不同施工速率下結(jié)構(gòu)豎向變形研究

針對(duì)混凝土該特性，需要在高層結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中選用合理的施工速率，采用不同的施工速率 3 d/層、5 d/層、7 d/層進(jìn)行核心筒和巨型柱的變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖 5 和圖 6 所示。

圖 5 不同施工速率下外圍巨型柱豎向變形

圖 6 不同施工速率下核心筒豎向變形

核心筒和巨型柱不同施工速率下的變形幾乎是一致的，無(wú)論是外圍巨型柱、核心筒，還是兩者變形差均在結(jié)構(gòu)底部、頂部最小，并在結(jié)構(gòu)中部達(dá)到最大，因此施工速率對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形幾乎沒(méi)有影響。根據(jù)此分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度、協(xié)調(diào)等方面，建議施工時(shí)采用 5 d/層的施工方案。

6 施工速率5d/層情況下，結(jié)構(gòu)豎向變形研究

結(jié)構(gòu)豎向變形由自重作用以及施工荷載作用下的彈性變形、混凝土收縮變形、徐變變形組成，其計(jì)算結(jié)果如圖 7 和圖 8 所示。

圖 7 5d/層外圍巨型柱豎向變形

圖 8 5d/層核心筒豎向變形

通過(guò)計(jì)算分析可知，巨型柱以及核心筒的彈性變形、混凝土徐變變形、收縮變形在結(jié)構(gòu)底部、頂部很小，在結(jié)構(gòu)中部達(dá)到最大值。巨型柱最大總變形為 61.7 mm，其中彈性變形為 42.9 mm，徐變變形為 16.8 mm，收縮變形為 2 mm。核心筒最大總變形 34.0 mm，其中彈性變形為 20.7 mm，徐變變形為 11.7 mm，收縮變形為 1.6 mm。巨型柱與核心筒間變形差在結(jié)構(gòu)底部、頂部很小，隨著結(jié)構(gòu)層增加，變形差出現(xiàn)三個(gè)相對(duì)最大值，兩個(gè)相對(duì)最小值，相對(duì)最小值發(fā)生在 25 層、40 層。變形差曲線呈現(xiàn)該特征的主要原因是在 25 層、40 層以及頂部附近有三道剛度很大的桁架層，約束了巨型柱和核心筒的相對(duì)變形，因此出現(xiàn)了變形差相對(duì)最小值，而在結(jié)構(gòu)底部采用了固接假定，故變形差為零。

7 豎向變形調(diào)整方法

超高層建筑施工過(guò)程中，需要保證施工層的標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，進(jìn)行施工平差處理，補(bǔ)償已發(fā)生的變形。施工中一般采用絕對(duì)標(biāo)高控制，該方法施工測(cè)量人員不必精確知道補(bǔ)償值大小，只需要施工層滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高即可，其補(bǔ)償部分為施工本階段前完成結(jié)構(gòu)的豎向變形。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，制定施工平差方案：核心筒和巨型柱每 5 層調(diào)整一次，調(diào)整位置位于調(diào)整區(qū)段頂部，調(diào)整后結(jié)構(gòu)標(biāo)高應(yīng)等于該層處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)高加上構(gòu)件的預(yù)拋高值。

根據(jù)施工組織、進(jìn)度選定了合理的施工速率，通仿真分析得到了巨型柱、核心筒豎向變形以及兩者的變性差異，給出了施工過(guò)程中構(gòu)件預(yù)拋高值和建議的施工平差方案。

8 結(jié) 語(yǔ)

以上海 X2 地塊超高層建筑為工程背景，運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)管理模型，根據(jù)其先分類后識(shí)別的原則，將施工過(guò)程中可能導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的力學(xué)問(wèn)題分為合理的施工速率以及由材料性能差異引起的結(jié)構(gòu)變形差的平差標(biāo)準(zhǔn)兩大類。設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，建筑外形越來(lái)越來(lái)新穎，結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越不規(guī)則，涌現(xiàn)出了越來(lái)越多的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑，給施工帶來(lái)了許多力學(xué)問(wèn)題，從而產(chǎn)生了諸多不確定因素，因而埋下了風(fēng)險(xiǎn)隱患。運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行識(shí)別、評(píng)價(jià)、處置的方法已普遍應(yīng)用。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，使得采用仿真技術(shù)模擬施工全過(guò)程，對(duì)關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)采取定量分析，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

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