李建軍 （山西潞安工程有限公司，山西 長治 046204）

城鎮(zhèn)化的發(fā)展使得大量的人口向中心城區(qū)集聚，為解決居民日益增長的住房需求問題，城市中修建了數(shù)量龐大的高層建筑[1]。這些高層、超高層建筑最為普遍采用的結構形式為框架剪力墻結構，以滿足結構受力、變形以及抗震等要求。由于高層框架剪力墻結構的施工具有工期長、工程量大的特點，在施工過程中，能夠為混凝土的收縮徐變提供足夠充分的發(fā)展時間，隨著施工進度的推移，結構的豎向荷載也隨著層高的變化而不斷增加，結構的力學性能和變形性能也出現(xiàn)更為復雜的時空演變[2]。框架剪力墻在施工階段的內(nèi)力與位移的動態(tài)變化過程，正是框架剪力墻結構施工控制的重要工作內(nèi)容，因此，研究框架剪力墻結構的受力和變形施工控制技術、結構收縮徐變施工控制技術具有十分重要的作用[3]。

1 工程概況

山西省長治市某建筑工程二期位于長治市城區(qū)，為大型民生工程。擬建住宅樓16 棟，編號為D1#～D16#，均為框架剪力墻結構，基礎采用CFG 復合地基，其中，D1#～D2#、D6#～D7#層數(shù)為40層，建筑高度為119.5m，單棟建筑平面圖及三維圖如圖1 所示；D3#～D4#、D9#、層數(shù)為35層，建筑高度為105.0m；D2#、D8#、D10#、D12#～D13#層數(shù)為20 層，建筑高度為59.3m；D11#、D15#～D16#層數(shù)為17 層，建筑高度為50.45m。擬建商業(yè)樓5 棟，編號為D-S1#～D-S5#，均為2 層框架結構，建筑高度33.65m～34.85m 不等，基礎采用獨立基礎。擬建D-P1開閉所1棟，為2層框架結構，建筑高度為33.90m，基礎采用筏板基礎。擬建D-P2配電房2 棟，均為2 層框架結構，建筑高度分別為34.5m、35.5m，基礎采用筏板基礎。擬建地下車庫1座，為負一層框剪結構，基礎采用筏板基礎，地下車庫開挖深度自±0.000起算在6m左右，自天然地面起算在5m左右，基坑側壁土層為填土層、黏土層，基坑邊線距離紅線在6m～10m，部分小于2 倍基坑開挖深度，基坑安全等級為三級，重要性系數(shù)γ0=0.9。建筑總面積226844.61m2，項目合同額約7.25億元。

圖1 單棟平面圖及三維計算模型

2 框架剪力墻結構主要施工技術

高層建筑框架剪力墻結構是將框架結構與剪力墻結構相互組合而成的結構形式，具有剪力墻剛度大、框架結構空間布置靈活的特點。施工時，從第一層逐步向上施工，每層框架剪力墻結構施工主要分為模板工程、鋼筋工程和混凝土工程。高層建筑框架剪力墻結構的施工關鍵節(jié)點如圖2所示。

圖2 施工關鍵節(jié)點

在測量放樣時，應保證柱網(wǎng)的精確，減少測量誤差，以保證結構的施工準確性；在鋼筋綁扎階段，需檢查進場鋼筋的質(zhì)量，對于梁柱節(jié)點、柱墻節(jié)點鋼筋密集處，應保證鋼筋焊接和綁扎質(zhì)量，確保鋼筋的數(shù)量、排布、焊接接頭滿足要求；在模板安裝階段，應保證模板的平整干凈，安裝模板嚴密牢固，同時對于高大模板可以借助腳手架等措施進行輔助施工；在混凝土澆筑階段，加強混凝土澆筑和振搗的過程控制，對混凝土的添加劑配比準確，施工溫度控制在30℃以下，以控制混凝土的溫度裂縫[4-5]。

超高層、高層鋼筋混凝土剪力墻結構的施工過程具有周期長、荷載大、工序多等特點，結構的高度也是從第一層開始逐步向上施工，隨著高度的增加，作用在框架結構上的施工荷載也逐步增加，柱子、墻體等承重構件產(chǎn)生相應的壓縮變形[6]。但傳統(tǒng)的承重構件施工內(nèi)力及位移控制以一次荷載加載為模型，忽略了施工過程的逐步累積和疊加，因此，計算得到的內(nèi)力與位移不能反映施工過程的真實狀態(tài)，有必要對施工階段框架剪力墻結構的內(nèi)力及位移采用逐步加載的方法研究其演變過程[7]。

3 框架剪力墻結構施工階段受力平衡方程

在高層框架剪力墻結構施工過程中，其高度是逐步增加的，因此，可以認為作用在框架剪力墻結構上的荷載也是動態(tài)變化的過程，由此產(chǎn)生的變形也應是不斷動態(tài)演變的。框架剪力墻結構的荷載加載過程以及變形計算過程，可認為當施工第1 層時，第1 層結構的施工荷載全部作用在地基上，其內(nèi)力和變形的平衡方程見式（1）。

式中{F0} 為地基的荷載矩陣；[K0]為地基的剛度矩陣；{Δ0} 為地基的變形矩陣。

當?shù)?層施工完畢，第2層開始施工時，作用在第1層上的荷載有兩部分組成，一部分為第1層自身的重力荷載，另一部分為第2層的施工荷載，因此，推出內(nèi)力和位移平衡方程見式（2）。

式中{F1} 為第1層荷載矩陣；[K1]為第1層的剛度矩陣；{Δ1} 為第1層的變形矩陣；{F11}為第1層自身重力荷載；{F21}為第2層的施工荷載。

依次類推，可以得到第i層施工時的內(nèi)力和位移平衡方程，見式（3）[8]。

式中{Fi} 為第i 層荷載矩陣；[Ki]為第i 層的剛度矩陣；{Δi} 為第i層的變形矩陣，

4 框架剪力墻結構施工階段墻體和柱受力和位移分析

4.1 框架剪力墻結構施工階段墻體和柱受力分析

為更好地研究施工過程中結構的受力及變形情況，選取了框架剪力墻結構中的柱子ZZ1、ZZ2 和剪力墻結構JLQ1作為研究對象，建立三維仿真模型，如圖1（b）所示，對框架剪力墻結構的施工階段進行研究，分析剪力墻和柱子的受力和變形情況。如圖1（a）所示，柱ZZ1為邊墻柱，鋼筋混凝土結構，混凝土等級為C60，幾何尺寸為700mm×700mm；柱ZZ2 為兩個墻體交接柱，鋼筋混凝土結構，混凝土等級為C60，幾何尺寸為700mm×700mm；剪力墻JLQ1為邊墻，鋼筋混凝土結構，厚度為350mm。

圖3和表1為柱ZZ1和柱ZZ2的彎矩計算結果。從圖3 可以看出，隨著建筑層數(shù)的增高，柱ZZ1 和柱ZZ2的柱底、柱頂彎矩均呈現(xiàn)曲線變化。柱ZZ1和ZZ2的柱底彎矩均為正彎矩，且表現(xiàn)為高樓層和低樓層相對較小，中部樓層彎矩曲線呈拋物線增大，其中最大彎矩發(fā)生在建筑中部20 層附近，柱ZZ1 和柱ZZ2 的柱底彎矩最大值分別為9.10MPa、6.88MPa；柱ZZ1 和ZZ2 的柱頂彎矩均為負彎矩，柱ZZ1 的彎矩表現(xiàn)為高樓層和低樓層相對較小，中部樓層彎矩曲線呈拋物線增大，其中最大彎矩發(fā)生在建筑中部20 層附近，而柱ZZ2 的彎矩表現(xiàn)為低樓層相對較小，20層以上彎矩變化趨于穩(wěn)定，柱ZZ1和柱ZZ2的柱底彎矩最大值分別為-11.61MPa、-10.41MPa。由此表明，位于建筑角點和位于建筑邊墻位置處的柱子，兩者的柱底彎矩相差較大，而柱頂彎矩相近。

表1 施工階段柱子內(nèi)力

從圖3 可以看出，框架剪力墻結構20 層的彎矩最大，為更為精確地對該樓層墻、柱的彎矩分布情況進行展示，結果如圖4和圖5所示。

圖3 施工階段柱彎矩圖

圖4 施工階段第20層梁柱彎矩云圖

圖5 施工階段第20層剪力墻彎矩云圖

圖6為柱ZZ1和柱ZZ2的軸力計算結果。從圖6可以看出，隨著建筑層數(shù)的增高，柱ZZ1 和柱ZZ2 的軸力均呈現(xiàn)近線性變化，隨著樓層的增加，柱ZZ1 和柱ZZ2的軸力均不斷減小，柱ZZ1的軸力從1509.55kN減小為70.31kN，柱ZZ2 的軸力從1494.13kN 減小為136.40kN。柱ZZ1和柱ZZ2的軸力兩者相近，表明柱的軸力變化與柱的位置無關。

圖6 施工階段柱軸力圖

4.2 框架剪力墻結構施工階段墻體和柱位移分析

表2 和圖7 為施工階段框架剪力墻結構柱ZZ1 和剪力墻JLQ1的位移計算結果。從圖7可以看出，柱ZZ1和剪力墻JLQ1 的豎向位移隨著樓層的增加呈現(xiàn)近拋物線的變化，且兩者的位移數(shù)值較為相近，最大豎向位移均發(fā)生在18 層附近，柱ZZ1 的最大豎向位移為8.95mm，剪力墻JLQ1 的最大豎向位移為8.64mm。柱ZZ1 和剪力墻JLQ1 的水平向位移變化規(guī)律較為一致，均隨著樓層的增加呈現(xiàn)非線性減小，剪力墻JLQ1的水平向位移整體上比柱ZZ1 的水平向位移小，最小水平向位移出現(xiàn)在樓頂位移，剪力墻JLQ1的最小水平位移為0.09mm，柱ZZ1 的最小水平向位移為0.15mm。柱ZZ1和剪力墻JLQ1的豎向位移遠大于其水平向位移。

表2 施工階段框架剪力墻結構柱子和剪力墻位移

圖7 施工階段柱子和剪力墻位移

5 結語

以山西省長治市某建筑工程二期框架剪力墻結構為研究對象，通過數(shù)值模擬的方法對施工階段高層建筑框架剪力墻結構的梁、柱、墻體的彎矩和變形進行計算，同時施工階段混凝土收縮徐變控制進行研究，得到以下幾個結論：

（1）柱ZZ1和柱ZZ2的柱底彎矩和柱頂彎矩最大值均發(fā)生在建筑中部20 層附近；位于建筑角點和位于建筑邊墻位置處的柱子，兩者的柱底彎矩相差較大，而柱頂彎矩相近；柱的軸力變化與柱的位置無關。

（2）柱ZZ1 和剪力墻JLQ1 的豎向位移隨著樓層的增加呈現(xiàn)近拋物線的變化，水平向位移隨著樓層的增加呈現(xiàn)非線性減小，豎向位移遠大于其水平向位移。