曹建中

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

1 工程概況

上海黃浦江南延伸段WS5單元188S-H-2地塊發(fā)展項目位于上海市徐匯區(qū)，總建筑面積約254 498.56 m2，地上總建筑面積約190 297.82 m2，地下總建筑面積約64 200.74 m2（其中人防建筑面積約9 659 m2），主要由1棟61層塔樓（建筑高度285 m，框架-核心筒結(jié)構(gòu)）、1棟4層裙房（建筑高度21.6 m，框架結(jié)構(gòu)）、1棟1層35 kV開關(guān)站（建筑高度5.7 m）及3層地下室（地下室深度16.7 m，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)）組成。

2 問題背景

根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中第13.10.5條條文要求：“核心筒應(yīng)先于鋼框架或型鋼混凝土框架施工，高差宜控制在4～8層，并應(yīng)滿足施工工序的穿插要求”。若按照核心筒結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)先外框結(jié)構(gòu)4～8層的方式進行超高層結(jié)構(gòu)施工，核心筒及外框結(jié)構(gòu)施工工期將為10 d/層。

通過施工部署（圖1），核心筒領(lǐng)先外框結(jié)構(gòu)施工的相差層數(shù)，理想化狀態(tài)是13層。但外框鋼結(jié)構(gòu)施工往往受制于原材的采購、鋼構(gòu)件的加工與運輸、現(xiàn)場吊裝條件等相關(guān)因素，通常會對現(xiàn)場施工產(chǎn)生一定的延誤。因此實際施工時，核心筒進度快于外框鋼結(jié)構(gòu)施工，相差樓層達14～15層，與結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程互相矛盾，特通過施工部署以及結(jié)構(gòu)驗算進行論證[1-2]。

圖1 結(jié)構(gòu)施工示意

3 研究過程

3.1工況劃分

根據(jù)施工過程中，核心筒、外圍鋼結(jié)構(gòu)與外圍樓板不同的施工進度所導(dǎo)致的施工樓層差異，綜合考慮不同層高下核心筒區(qū)域墻體的厚度變化，共建立4種不同的工況，分析4種情況下的核心筒墻體安全性能。

工況1：核心筒29層、外圍鋼結(jié)構(gòu)16層、外圍樓板14層：核心筒區(qū)域施工樓層達到29層，頂部標(biāo)高為127 m，此時結(jié)構(gòu)外圍鋼結(jié)構(gòu)施工樓層達到16層，與核心筒施工樓層相差15層；結(jié)構(gòu)外圍樓板施工達到14層，15層與16層的樓板尚未施工。核心筒區(qū)域墻體1～2層厚度為1.1 m，3～17層厚度為1 m，18～29層厚度為0.8 m。

工況2：核心筒42層、外圍鋼結(jié)構(gòu)30層、外圍樓板27層：核心筒區(qū)域施工樓層達到42層，頂部標(biāo)高為186 m，此時結(jié)構(gòu)外圍鋼結(jié)構(gòu)施工樓層達到30層，與核心筒施工樓層相差12層；結(jié)構(gòu)外圍樓板施工達到27層，28～30層的樓板尚未施工。核心筒區(qū)域墻體30～38層厚度為0.6 m，39～42層厚度為0.4 m。

工況3：核心筒52層、外圍鋼結(jié)構(gòu)40層、外圍樓板37層：核心筒區(qū)域施工樓層達到52層，頂部標(biāo)高為231 m，此時結(jié)構(gòu)外圍鋼結(jié)構(gòu)施工樓層達到40層，與核心筒施工樓層相差12層；結(jié)構(gòu)外圍樓板施工達到37層，38～40層的樓板尚未施工。核心筒區(qū)域墻體43～52層為0.4 m。

工況4：核心筒61層、外圍鋼結(jié)構(gòu)50層、外圍樓板47層：核心筒區(qū)域施工樓層達到61層，頂部標(biāo)高為275 m，此時結(jié)構(gòu)外圍鋼結(jié)構(gòu)施工樓層達到50層，與核心筒施工樓層相差12層；結(jié)構(gòu)外圍樓板施工達到47層，48～50層的樓板尚未施工。核心筒區(qū)域墻體53層厚度為0.4 m，54～61層厚度為0.35 m。

3.2分析內(nèi)容

采用Midas/Gen軟件建立本項目核心筒結(jié)構(gòu)在不同工況下的有限元數(shù)值模型，詳細(xì)分析不同工況下核心筒墻體的力學(xué)響應(yīng)，從而驗算核心筒區(qū)域墻體的安全性能，保證墻體在施工過程中不被破壞。主要分析內(nèi)容如下：核心筒區(qū)域墻體的應(yīng)力，豎向構(gòu)件收縮徐變對結(jié)構(gòu)整體的影響，墻體整體穩(wěn)定性的驗算，核心筒連梁承載力驗算。

3.3結(jié)果分析

3.3.1 豎向構(gòu)件收縮徐變對結(jié)構(gòu)整體的影響

施工期間核心筒領(lǐng)先外框柱，對于由此帶來的混凝土收縮徐變產(chǎn)生的豎向差異變形，分析如下：由于核心筒墻體較長，在豎向荷載下，墻體軸壓比遠(yuǎn)小于外框柱軸壓比。由此導(dǎo)致外框柱在豎向荷載下產(chǎn)生的壓縮變形及徐變要大于核心筒墻體，造成外框柱豎向總體壓縮量大于核心筒墻體豎向壓縮量。而現(xiàn)場核心筒領(lǐng)先外框，如此反而能增加核心筒墻體軸壓比，增加核心筒墻體豎向壓縮量及徐變量，即增加核心筒總的豎向壓縮量，從而減小核心筒和外框柱兩者因豎向壓縮量不同而造成的變形差。總體來說，這對協(xié)調(diào)內(nèi)筒與外框的豎向變形差異、控制附加內(nèi)力是有利的。

3.3.2 個別墻體整體穩(wěn)定性的驗算

在工況4中，核心筒區(qū)域出現(xiàn)了350 mm厚的墻體，個別墻體接近頂部時墻厚較薄，核心筒左下角墻體有內(nèi)部塔吊關(guān)系，導(dǎo)致豎向無樓板，豎向無支長度按照4層（塔吊4層一爬升）計算。通過計算，只要當(dāng)核心筒區(qū)域剪力墻的最大壓應(yīng)力小于8.4 MPa，即可滿足個別墻體的整體穩(wěn)定性要求。工況4中核心筒區(qū)域墻體壓應(yīng)力的結(jié)果詳見3.3.3節(jié)中的數(shù)值模擬結(jié)果。

3.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

1）工況1主拉應(yīng)力結(jié)果。工況1中，核心筒為29層，外圍樓板為14層，外圍鋼結(jié)構(gòu)為16層。計算結(jié)果表明，核心筒整體墻面拉應(yīng)力均控制在1 MPa以下。

2）工況2主拉應(yīng)力結(jié)果。工況2中，核心筒為42層，外圍樓板為27層，外圍鋼結(jié)構(gòu)為30層。由計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，核心筒整體墻面拉應(yīng)力均控制在1 MPa以下，僅在局部部位出現(xiàn)應(yīng)力集中。主拉應(yīng)力集中區(qū)域為墻單元與連梁單元連接處或者墻單元與外圍鋼結(jié)構(gòu)連接處，主要原因是數(shù)值模擬過程中，連梁使用梁單元進行模擬，而剪力墻則采用板單元進行模擬。因此梁單元與板單元的連接處產(chǎn)生了剛度突變，導(dǎo)致了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

3）工況3主拉應(yīng)力結(jié)果。工況3中，核心筒為52層，外圍樓板為37層，外圍鋼結(jié)構(gòu)為40層。計算結(jié)果表明，核心筒整體墻面拉應(yīng)力均控制在1 MPa以下，僅在局部部位出現(xiàn)應(yīng)力集中。主拉應(yīng)力集中區(qū)域及原因同工況2。

4）工況4主拉應(yīng)力結(jié)果。工況4中，核心筒為62層，外圍樓板為47層，外圍鋼結(jié)構(gòu)為50層。計算結(jié)果表明，核心筒整體墻面拉應(yīng)力均控制在1 MPa以下，僅在局部部位出現(xiàn)應(yīng)力集中。主拉應(yīng)力集中區(qū)域及原因同工況2。具體如圖2所示。

圖2 核心筒區(qū)域墻體拉應(yīng)力分析

5）工況4壓應(yīng)力結(jié)果。為了滿足個別墻體的整體穩(wěn)定性要求，核心筒區(qū)域剪力墻的最大壓應(yīng)力應(yīng)小于8.4 MPa。核心筒區(qū)域350 mm厚墻體的壓應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 核心筒區(qū)域墻體壓應(yīng)力分析

從上述結(jié)果分析中可以發(fā)現(xiàn)，350 mm厚墻體的最大壓應(yīng)力為2 MPa，小于8.4 MPa。由此可見，個別墻體的整體穩(wěn)定性要求可以滿足。

3.3.4 連梁配筋驗算

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，輸出連梁彎矩與剪力，并利用理正工具箱進行配筋計算，將計算得到的結(jié)果與設(shè)計院施工圖紙中的連梁配筋進行對比，從而對連梁配筋進行驗算。計算結(jié)果表明，所有的連梁都滿足配筋要求，以工況4中彎矩最大的連梁為例，其最大彎矩如圖4所示。

圖4 工況4連梁最大彎矩

該連梁梁頂?shù)臉?biāo)高為69.85 m，位于第16層，梁截面尺寸為1 000 mm×900 mm，該梁的彎矩計算結(jié)果為569.6 kN·m，剪力計算結(jié)果為317.5 kN。通過計算，連梁的配筋滿足計算結(jié)果。

3.4 小結(jié)

1）現(xiàn)場核心筒領(lǐng)先外框，能增加核心筒墻體軸壓比，增加核心筒墻體豎向壓縮量及徐變量，即增加核心筒總的豎向壓縮量。如此反而能減小核心筒和外框柱兩者因豎向壓縮量不同而造成的變位差，總體來說，對協(xié)調(diào)內(nèi)筒與外框的豎向變形是有利的。

2）個別墻體到接近頂部時墻厚較薄，核心筒左下角墻體因有內(nèi)部塔吊關(guān)系，導(dǎo)致豎向無樓板。分析計算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土墻體壓應(yīng)力均小于8.4 MPa時，墻體的穩(wěn)定性可以滿足要求。從數(shù)值模擬的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，墻體壓應(yīng)力可以滿足要求。

3）由應(yīng)力云圖可以看出，核心筒區(qū)域剪力墻大范圍的主拉應(yīng)力均在1 MPa以下，僅在局部節(jié)點出現(xiàn)應(yīng)力集中，大小為2～4 MPa。

4）主拉應(yīng)力集中區(qū)域為墻單元與連梁單元連接處或者墻單元與外圍鋼結(jié)構(gòu)連接處，主要原因是數(shù)值模擬過程中，連梁使用梁單元進行模擬，而剪力墻則采用板單元進行模擬。因此梁單元與板單元的連接處產(chǎn)生了剛度突變，導(dǎo)致了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在實際施工過程中，并不會存在這種情況。綜上所述，在4種工況下，核心筒區(qū)域墻體的混凝土拉應(yīng)力均控制在1 MPa以下，不會產(chǎn)生裂縫。

4 結(jié)語

通過施工部署以及相關(guān)結(jié)構(gòu)驗算得出結(jié)論，在核心筒結(jié)構(gòu)領(lǐng)先外框結(jié)構(gòu)施工15層時，結(jié)構(gòu)仍處于安全狀態(tài)。最后經(jīng)與業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計通過會議協(xié)商確定，以核心筒領(lǐng)先外框結(jié)構(gòu)施工15層的節(jié)奏進行現(xiàn)場實際施工，最終以核心筒及外框4.5 d/層的進度完成超高層的結(jié)構(gòu)施工。綜上所述，在本項目中，核心筒領(lǐng)先于鋼框架或型鋼混凝土框架施工控制在4～8層時，無法滿足實際施工需求，故將核心筒結(jié)構(gòu)領(lǐng)先外框結(jié)構(gòu)施工層數(shù)設(shè)置為15層最為合適。