張然

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司第四工程公司 天津 300350）

1 引言

現(xiàn)代高層建筑起源于美國(guó)，隨著技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市人口的快速積聚增加，超高層建筑不斷涌現(xiàn)，逐漸成為了現(xiàn)代城市中的地標(biāo)，改變著現(xiàn)代城市的經(jīng)濟(jì)體系和景觀。近代以來，高層混合結(jié)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展很快?；旌辖Y(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比，抗側(cè)移能力增強(qiáng)，且經(jīng)濟(jì)性更好，節(jié)省用鋼量；我國(guó)近年來建造的高層及超高層建筑多為混合結(jié)構(gòu)體系。超高層混合結(jié)構(gòu)建筑在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，所占比例逐漸上升，加強(qiáng)對(duì)超高層混合結(jié)構(gòu)的研究促進(jìn)其健康發(fā)展顯得尤為重要。

2 工程概況

新時(shí)代中心坐落于浙江省嵊州市城南新區(qū)內(nèi)，在官河南路與環(huán)南路口西南角。塔樓共56 層，主體結(jié)構(gòu)高196 m。建筑占地面積和總建筑面積分別高達(dá)為18932m2和120 000m2。塔樓外觀從下向上呈美觀大氣的流線型曲線，截面尺寸從第1 層的56m×56m 慢慢縮小到56 層為46m×46m，核心筒為30m×30m的正方形，這樣的設(shè)計(jì)大大增加了建筑的防風(fēng)特性。

核心筒使用了鋼筋混凝土剪力墻的形式。其優(yōu)點(diǎn)是剛度大，抗側(cè)移能力強(qiáng)。剪力墻內(nèi)部暗柱按需要采用鋼柱，底部剪力墻采用組合鋼板以提高其抗壓能力及抗剪能力。核心筒的截面形狀在頂部略有改變，尺寸基本保持不變，但墻體厚度逐漸減小。在超高層塔樓結(jié)構(gòu)中，采用四道鋼外伸臂巨型結(jié)構(gòu)連接核心筒和外框架，通過帶狀鋼桁架和巨型斜撐將外框架連接起來，使其成為一個(gè)整體。

3 工程測(cè)量變形監(jiān)控方案

新時(shí)代中心塔樓最高處高達(dá)214.4m，為超高層建筑。施工工期長(zhǎng)，上部荷載大，混凝土產(chǎn)生較大的彈性、徐變和壓縮變形，內(nèi)外筒累積豎向變形及變形差較大，直接影響建筑的總體高程、層高、樓面平整度、伸臂桁架受力，從而影響機(jī)電、幕墻及裝修的施工，以及塔樓施工、使用階段的安全性。因此建立穩(wěn)定可靠的測(cè)量控制網(wǎng)以確保豎向變形及變形差處于可控范圍是施工安全的基礎(chǔ)。新時(shí)代中心塔樓豎向變形的監(jiān)測(cè)方法采用的是光纖光柵傳感器，通過讀取傳感器波長(zhǎng)數(shù)據(jù)從而獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值。基本原理為當(dāng)光柵周圍的物理參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，光纖芯部折射率發(fā)生改變，使得光柵信號(hào)波長(zhǎng)改變，通過讀取波長(zhǎng)代入不同的公式即可計(jì)算出應(yīng)變、溫度等的變化情況。新時(shí)代中心塔樓核心筒應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在4個(gè)角上，從第6 層開始每隔5 層進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布控，并在每個(gè)監(jiān)測(cè)樓層設(shè)置溫度傳感器對(duì)溫度應(yīng)變進(jìn)行補(bǔ)償。20 層監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 20 層核心筒及外框架巨柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：mm）

根據(jù)下式計(jì)算出樓層的豎向變形值：

式中：Δh為監(jiān)測(cè)樓層單層豎向變形值；ε為通過該樓層多個(gè)傳感器計(jì)算出的構(gòu)件應(yīng)變平均值；h為監(jiān)測(cè)樓層的層高。

對(duì)于沒有設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樓層，可認(rèn)為鄰近幾層的剛度相同，根據(jù)監(jiān)測(cè)樓層數(shù)據(jù)和層高采取線性插值法計(jì)算未監(jiān)測(cè)樓層的應(yīng)變值。由于該監(jiān)測(cè)計(jì)算方法無法考忘施工過程的施工補(bǔ)償問題，因此根據(jù)該測(cè)量結(jié)果計(jì)算出的豎向變形為累積豎向變形。

4 超高層建筑豎向變形影響因素分析

4.1 結(jié)構(gòu)豎向變形計(jì)算值結(jié)果分析

通過超高層建筑豎向變形分析系統(tǒng)對(duì)新時(shí)代中心剪力墻核心筒及鋼骨混凝土框架進(jìn)行了豎向變形分析，模擬考量了在不同使用階段（竣工后10年、20年、50年）的豎向變形情況，為超高層建筑使用階段的結(jié)構(gòu)可靠性提供評(píng)估依據(jù)。核心筒和外框架巨柱豎向變形計(jì)算分析的結(jié)果如圖2所示，在考慮了施工找平后，豎向變形曲線中間大、兩端小。

圖2 結(jié)構(gòu)竣工后單層豎向變形實(shí)測(cè)

對(duì)核心筒剪力墻和外框架巨柱的變形發(fā)展有著相似的規(guī)律，變形增長(zhǎng)速率隨著竣工時(shí)間的增加而減小?？⒐ず?0年內(nèi)變形發(fā)展速率較快，且上部樓層的豎向變形發(fā)展速率最大。

工程竣工時(shí)徐變收縮占比43%～52%，第5年時(shí)達(dá)到49%～69%，第50年時(shí)收縮徐變達(dá)到峰值，是彈性壓縮的3倍，隨著時(shí)間線的延長(zhǎng)，收縮徐變占比不斷增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度趨緩。由于徐變收縮最常發(fā)生在豎向變形中，所以在分析超高層建筑豎向變形問題時(shí)必須要充分論證分析徐變收縮問題。

4.2 樓層豎向變形實(shí)測(cè)結(jié)果

由于理論測(cè)量方法的計(jì)算原理只能得出每層結(jié)構(gòu)的壓縮值，而不能考慮施工補(bǔ)償對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形的影響，因此實(shí)測(cè)值曲線是忽略施工補(bǔ)償?shù)睦鄯e豎向變形。新時(shí)代中心結(jié)構(gòu)封頂后單層結(jié)構(gòu)豎向變形和累計(jì)豎向變形實(shí)測(cè)結(jié)果分別如圖2 所示。隨著樓層增加，塔樓各樓層的單層變形量較均勻地減小，累積變形逐漸增加，內(nèi)外結(jié)構(gòu)的變形差異也在逐漸加大。在該測(cè)量工況中，核心筒和柱累積變形分別為173.981mm 和142.160mm；L56 層相對(duì)豎向變形最大，其實(shí)測(cè)相對(duì)豎向變形為31.674mm。

4.3 軟件計(jì)算值與工程實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

本節(jié)選取工程結(jié)構(gòu)封頂時(shí)刻的豎向變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖3。由圖3可知，結(jié)構(gòu)累積變形和單層變形在計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果方面的變化規(guī)律極為相近。樓層越高結(jié)構(gòu)累積變形則越大，單層變形數(shù)值不斷降低。對(duì)于同一樓層，核心筒累積變形大于巨柱；結(jié)構(gòu)累積變形增量隨著樓層的增加而減小，在結(jié)構(gòu)高度較低時(shí)，其累積變形增加較快。

圖3 結(jié)構(gòu)累計(jì)豎向變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

4.4 核心筒領(lǐng)先外框架施工層數(shù)對(duì)豎向變形差影響

以一個(gè)30 層建筑物為例對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形差與單層施工天數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析，荷載信息見表1。

表1 建筑物標(biāo)準(zhǔn)層基本信息

分別對(duì)核心筒超前施工為0、3、6 層的內(nèi)外結(jié)構(gòu)豎向變形差異計(jì)算。結(jié)果見圖4。當(dāng)核心筒和外框架同步施工時(shí)，豎向變形差最小，核心筒比外框架提前施工的層數(shù)越多，建筑內(nèi)外結(jié)構(gòu)豎向變形差異越大。

圖4 核心筒施工不同領(lǐng)先層數(shù)下的豎向變形差異

5 結(jié)論

本文對(duì)新時(shí)代中心的結(jié)構(gòu)體系、施工組織方案和豎向變形監(jiān)控方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并利用超高層建筑豎向變形分析系統(tǒng)對(duì)新時(shí)代塔樓的豎向變形進(jìn)行了模擬計(jì)算，主要得出了以下結(jié)論：超高層建筑中核心筒和外框架巨柱的豎向變形發(fā)展有著相似的規(guī)律，其增長(zhǎng)速率隨著竣工時(shí)間的增加而減小。建筑竣工10年內(nèi)的變形發(fā)展速率較快，且上部樓層的豎向變形發(fā)展速率比下部樓層大。核心筒的荷載小于外框架，但外框架巨柱中型鋼含量大，整體豎向變形小于核心筒。