唐永軍

(北京建工四建工程建設(shè)有限公司，北京 100075)

0 引言

在超高層建筑施工過程中，結(jié)構(gòu)體系需長時間承受變化荷載，導(dǎo)致荷載、邊界條件及材料等呈時變特性，結(jié)構(gòu)變形問題在整個施工過程中越來越多，眾多超高層建筑在重要結(jié)構(gòu)層發(fā)生長大變化的部位均設(shè)有巨型環(huán)桁架及伸臂桁架。眾多學(xué)者對超高層建筑施工過程中環(huán)桁架[1-3]和伸臂桁架[4-9]的受力分析進(jìn)行研究。

由于結(jié)構(gòu)平面布置不均勻、混凝土材料收縮和徐變可能產(chǎn)生較大豎向變形和變形差，對結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生較大影響。本工程在個別樓層設(shè)置巨型環(huán)桁架及伸臂桁架，核心筒及外框在施工過程中的豎向變形差可能造成不利影響。因此，施工階段應(yīng)考慮收縮徐變的施工模擬計算分析巨型環(huán)桁架及伸臂桁架，針對變形情況采取相應(yīng)措施。本文通過MIDAS分析巨型環(huán)桁架及伸臂桁架應(yīng)力和豎向變形情況，及各向應(yīng)力和豎向變形隨施工步增加逐漸加大的變化規(guī)律，為施工預(yù)調(diào)值設(shè)置提供依據(jù)。

1 工程概況

海口雙子塔南塔項(xiàng)目用地面積34 293m2，總建筑面積387 669m2。場地內(nèi)擬建1棟超高層辦公樓和商業(yè)裙房：中部超高層為5A級辦公樓，屋面總高度428m，共94層，頂部區(qū)域設(shè)高空觀景平臺及高檔餐廳；商業(yè)裙房4層，高22m，包括宴會廳、餐廳及商鋪；地下室共4層，用于商業(yè)、車庫、機(jī)電用房、人防、輔助用房等。

本工程在16，32，50，66，72，88層分別設(shè)置環(huán)桁架，其中50，66層為巨型環(huán)桁架及巨型伸臂桁架，如圖1所示。為分析核心筒與外框架間的變形差對不同層環(huán)桁架及伸臂桁架的影響，與各層鋼桁架受力及變形情況，采用MIDAS建立整體模型并進(jìn)行分析，施工過程中每層為1個施工步。

圖1 環(huán)桁架及伸臂桁架計算模型

2 數(shù)值模擬

在此次施工數(shù)值模擬中，每層施工過程根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式形成剛度，進(jìn)一步反映各層施工過程結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)，并用迭代方法考慮施工過程，與實(shí)際施工過程較符合。

2.1 施工數(shù)值模擬步驟

利用MIDAS/GEN對超高層建筑施工過程進(jìn)行模擬分析，步驟如下。

1)建立施工有限元分析模型，逐步施加荷載及設(shè)置與實(shí)際情況相符的邊界條件。

2)根據(jù)施工方案建立結(jié)構(gòu)組，將同時施工的構(gòu)件指定為1個結(jié)構(gòu)組，同時根據(jù)施工步建立荷載組及邊界組。

3)指定收縮徐變系數(shù)和混凝土強(qiáng)度發(fā)展函數(shù)，并連接到相應(yīng)構(gòu)件。

4)根據(jù)施工方案，定義施工階段分析數(shù)據(jù)，包括施工步長及相應(yīng)結(jié)構(gòu)組、荷載組和邊界組。

5)進(jìn)行荷載組合，對施工過程按施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

6)隨時關(guān)注涉及的環(huán)桁架和伸臂桁架受力與變形情況，并進(jìn)行分析整理。

2.2 施工階段劃分

本次采用核心筒超前施工6層的方式進(jìn)行計算。由于本工程在50,66層設(shè)置巨型伸臂桁架及巨型環(huán)桁架，在16,32,72,88層設(shè)置環(huán)桁架，94層及以上設(shè)置塔冠，故對30,40,60,80層以及頂層施工時各環(huán)桁架的應(yīng)力與豎向變形進(jìn)行計算分析。

2.3 施工荷載

1)結(jié)構(gòu)自重 混凝土和鋼材密度分別為2 540，7 850kg/m3，軟件根據(jù)材料密度和構(gòu)件幾何信息自動計算結(jié)構(gòu)自重。

2)收縮徐變 混凝土收縮徐變參數(shù)采用JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中的公式進(jìn)行計算，濕度取70%，并假定混凝土開始收縮時的齡期為3d，其中C60混凝土收縮應(yīng)變?nèi)鐖D2所示，徐變系數(shù)如圖3所示。

圖2 收縮應(yīng)變

圖3 徐變系數(shù)

混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律采用CEB-FIP Model Code規(guī)范中的公式進(jìn)行計算，其中C60混凝土收縮應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

圖4 C60混凝土收縮應(yīng)變

3 巨形環(huán)桁架及伸臂桁架受力分析

3.1 16層環(huán)桁架的應(yīng)力及變形

由16層環(huán)桁架的應(yīng)力圖和變形圖可知，隨著施工進(jìn)程越來越高，16層環(huán)桁架所受到的最大應(yīng)力從19.4MPa逐步增大到46.5MPa，應(yīng)力增幅約139.69%；沿重力方向最大變形從5.1mm逐步增大到約21.5mm，變形增幅約321.57%(見圖5)。

圖5 16層環(huán)桁架變形

3.2 32層環(huán)桁架應(yīng)力及變形

由32層環(huán)桁架應(yīng)力圖和變形圖可知，32層環(huán)桁架所受到的最大應(yīng)力從24.2MPa逐步增大到46.5MPa，應(yīng)力增幅約92.15%；沿重力方向最大變形從7.08mm逐步增大到21.5mm左右，變形增幅約203.67%。

3.3 48層環(huán)桁架及伸臂桁架應(yīng)力及變形

由48層環(huán)桁架及伸臂桁架應(yīng)力圖與變形圖可知，48層環(huán)桁架及伸臂桁架所受到的最大應(yīng)力從56.7MPa逐步增大到75.2MPa，應(yīng)力增幅約32.63%；沿重力方向最大變形從20.1mm逐步增大到30.8mm左右，變形增幅約53.23%。

3.4 64層伸臂桁架及環(huán)桁架應(yīng)力及變形

由64層伸臂桁架及環(huán)桁架應(yīng)力圖與變形圖可知，64層環(huán)桁架及伸臂桁架所受到的最大應(yīng)力從15.7MPa逐步增大到34.4MPa，應(yīng)力增幅約119.11%；沿重力方向最大變形從19.45mm逐步增大到30.1mm左右，變形增幅約54.76%。

3.5 72層環(huán)桁架應(yīng)力及變形情況

由72層環(huán)桁架應(yīng)力圖及變形圖可知，72層環(huán)桁架所受到的應(yīng)力從12.9MPa逐步增大到31.1MPa，應(yīng)力增幅約141.09%；沿重力方向最大變形從15.4mm逐步增大到18.9mm左右，變形增幅約22.73%。

3.5 88層環(huán)桁架應(yīng)力及變形

由88層環(huán)桁架應(yīng)力圖及變形圖可知，88層環(huán)桁架最大應(yīng)力為32.1MPa，豎直方向最大豎向變形為18.9mm。

4 結(jié)語

在整體施工過程中，對環(huán)桁架和伸臂桁架進(jìn)行受力分析是非常重要的。由以上結(jié)果可以看出，施工過程中，環(huán)桁架和伸臂桁架受到的應(yīng)力隨著建筑升高逐漸加大，且環(huán)桁架和伸臂桁架均小于允許值。由此可知，施工過程中的各伸臂桁架及環(huán)桁架受力能夠得到保證。