某高层大悬挑结构的施工模拟分析

某高层大悬挑结构的施工模拟分析

刘双双

深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司深圳518054

摘要：本文以深圳某总部大厦为工程背景，对其在不同的施工方案下进行主要构件内力与变形的分析对比，确定不同施工方案下结构最有利的受力及变形状态，并考虑了长期收缩徐变效应对结构的影响，最后在选定的施工方案下，进行了考虑施工模拟的动力弹塑性时程分析。

关键词：施工模拟；收缩徐变；罕遇地震

Designofainclinedtransferrodbasedonconstructionsimulation.

XiangBing,ChenHu,ZhangDailin,WangWeizhong,LianXianrong

(HuasenArchitecture&EngineeringDesignConsultantsLtd.,Shenzhen518054,China;)

Abstract:TheanalysisobjectofthisstudyisaheadquartersbuildinginShenzhen,China.Internalforcesanddeformationsofthemaincomponentsofthebuildingunderdifferentconstructionschemeswerecompared.Theaimistodeterminetheoptimalconstructionschemesintermsofthestateofstressanddeformation,andthelong-termeffectsofshrinkageandcreeponthestructure.Finally,atime-historyelastic-plasticmodelanalysisconsideringtheconstructionsimulationundertherareearthquakewasperformedfortheoptimalconstructionschemes.

Keywords:constructionsimulation;shrinkageandcreep;rareearthquake

1工程概况

本工程位于深圳市南山区后海片区，项目设五层地下室，地上29层，结构高度为129.9米，其中裙楼高度为18.0米，结构体系采用框架-核心筒结构。图1为结构整体模型。

图1结构模型

本工程以地下室顶板（首层）为结构的嵌固层。结构标准层核心筒主要墙厚为600mm，内部少数墙厚300mm，外框架柱最大截面为1400x1400~1100x1100。框架、核心筒抗震等级为二级，地下二层以下逐层降低。考虑办公舒适度，标准层板厚主要为120mm，对核心筒内部楼板考虑多种因素加厚至最小150mm，地下室顶板在塔楼及其周边范围最小板厚为180mm。

根据场地情况，并考虑结构受力、经济指标、工期影响、施工难易、现场管理等多个因素，确定本工程塔楼及地下室基础采用大直径灌注桩，以强风化岩为持力层。

2结构施工模拟的必要性

本工程塔楼一侧有13.70m的大悬挑，悬挑层数为25层，通过上下各4根钢拉杆与楼面型钢混凝土梁构成的三角形受力体系以支撑上部的柱和楼面结构。下层拉杆设于5层与15层间，上层拉杆设于18层与27层间。由于悬挑部分层数多、自重大，竖向变形相对显著，施工加载时对构件内力的影响较大。斜拉杆、楼面梁的施工顺序，以及上、下层斜拉杆间的连接时间节点都会对结构主体产生较大的影响。另外，《高规》也明确指出高层建筑结构应考虑墙柱的轴向变形影响。由于实际施工时建筑是逐层施工完成的，其竖向刚度和竖向荷载（主要是结构自重）也是逐层形成的，如果不考虑施工的影响，将各层的竖向荷载一次性施加到结构的计算模型上去，可能会造成结构的竖向位移偏大和构件的内力失真。因此，高层建筑按空间整体工作计算时，要考虑墙和柱的轴向变形必要时还要考虑梁的轴向变形。此外，由于徐变对结构混凝土竖向构件的轴向变形，特别是大悬挑结构有较大的影响，在施工模拟中也需同时考虑徐变的影响。

3施工模拟方案

由于施工顺序和加载条件不同，实际施工的建筑物的受力情况与建立整个模型后进行结构分析的结果是不同的。导致产生这些误差的原因可大致分为两点：（1）对整个建筑物的模型同时施加荷载时，所施加的荷载会被传递到刚施工的上部楼层，这与实际施工情况不符。（2）各施工阶段的荷载会导致竖向构件的不同收缩。因此有必要进行施工阶段的变形分析，以指导现场施工，确保施工阶段的安全。

在施工和使用过程中，核心筒和外框架柱之间的竖向变形差，主要是组合构件在竖向荷载下的竖向变形差和收缩徐变下的变形差两种。对超高层建筑，这种竖向变形差将引起构件间的内力重分布，其影响在设计和施工中需要考虑。

本文对两种施工方案进行了对比分析，方案一：塔楼（除悬挑部分）每1层为一个施工阶段，悬挑部分每1层为一个施工阶段，斜拉杆及与其相连接的梁单独作为一个施工阶段，15F~18F间的悬挑部分最后合拢施工，共59个施工步骤，部分施工步骤如图2所示。假定各楼层施工速度为6天/施工阶段，主体完工一共是354天；方案二：15F~18F间的悬挑部分与同层的主塔楼一起作为一个施工段，其余施工阶段同方案一，共57个施工步骤，部分施工步骤如图3所示。假定楼层施工速度为6天/施工阶段，主体完工一共是342天。

(a)第15个施工步(b)第26个施工步(c)第42个施工步

(d)第43个施工步(e)第57个施工步(f)第59个施工步

图2方案一部分施工顺序示意图

(a)第14个施工步(b)第15个施工步(c)第57个施工步

图3方案二部分施工顺序示意图

4.施工模拟主要步骤

采用ETABS软件进行施工模拟分析，计算过程采用考虑时间依存效果（累加模型）的方式，预定施工方案中假设基本施工速度为6d/层，框架部分与核心筒部分同步施工。假定混凝土3d后具有强度，荷载在每层施工完毕后予以施加。在混凝土特性中考虑依赖于时间的徐变、收缩和强度增长。主要步骤如下：

（1）建立施工模拟分析模型，施加荷载及指定边界条件。

（2）根据施工方案建立结构组，将同时施工的构件指定为一个结构组，同时根据施工步建立荷载组及边界组。

（3）指定收缩徐变系数和混凝土强度发展函数等混凝土基于时间相关的属性，并连接到相应的构件。

（4）根据实际施工方案，定义施工阶段分析数据，包括施工步长以及相应的结构组、荷载组和边界组

（5）进行施工模拟分析，各参数进行比对。

5.施工模拟分析与一次性加载结果对比

图4墙柱编号图

5.1框架柱轴力对比

KZ01三种分析结果对比KZ02三种分析结果对比

图5框架柱结果比较

5.2斜拉杆轴力对比

(a)下部斜拉杆编号(b)上部斜拉杆编号

(c)XG01分析结果对比(d)XG02分析结果对比

(e)XG05分析结果对比(f)XG06分析结果对比

图6斜拉杆内力结果

5.3位移对比

对塔楼两处斜拉杆转换悬挑结构最底层处在线弹性及施工模拟分析下的竖向位移进行考察，分析结果仅考虑恒荷载单工况，见下图所示。可以看出，在施工模拟分析下，斜拉杆转换悬挑处的竖向位移大于线弹性分析的结果。其中下部斜拉杆转换悬挑处，线弹性分析最大位移为39.40mm，施工模拟方案一最大位移为64.5mm，施工模拟方案二最大位移为70.7mm。而上部斜拉杆转换悬挑处，线弹性分析最大位移为42.4m，施工模拟方案一对应处的最大位移为50.9mm，施工模拟方案二对应处的最大位移为48.2mm。

可以看出，施工模拟对下部斜拉杆悬挑处的竖向位移影响较大，而对上部斜拉杆悬挑处的竖向位移影响较小。

一次加载竖向位移方案一竖向位移

方案二竖向位移一次加载竖向位移(上部)

方案一竖向位移(上部)方案二竖向位移(上部)

图7位移结果

由下图墙柱的竖向位移云图可知，靠近悬挑侧核心筒墙体：一次性加载上部楼层的竖向位移比其它方案更大，方案一和方案二竖向位移变化较均匀，但是方案二的竖向位移较方案一大；悬挑侧柱位移：一次性加载的竖向位移最大，施工模拟方案一竖向位移在中间合拢处有明显的分界线，待中间合拢部分上下楼层均施工完了再施工，上下楼层均充分发挥了受力，故竖向位移最小，施工模拟方案二合拢处下部悬挑柱的竖向位移较大，而合拢处上部楼层的竖向位移更小。

一次加载竖向位移方案一竖向位移

方案二竖向位移一次加载竖向位移

方案一竖向位移方案二竖向位移

图8整体位移结果

6施工模拟中的长期徐变收缩效应分析

图9第4层斜拉杆悬挑梁与外框柱变形差

由于施工时外框柱先于斜拉杆悬挑梁施工，因此当第4层斜拉杆悬挑梁施工完毕时刻，外框柱超前施工存在一定的变形，而外框柱因施工找平未发生变形，此时斜拉杆悬挑梁处的变形差主要由斜拉杆悬挑梁变形产生。随着施工过程的不断推进，斜拉杆悬挑梁和外框柱同时承受上部结构自重及施工荷载的作用，均发生竖向变形，而斜拉杆悬挑梁的刚度小于外框柱，在上部荷载作用下，斜拉杆悬挑梁变形大于外框柱，随着施工的不断推进，两者的变形差逐渐增大直至整体竣工。

（a）竣工时刻外框柱变形（mm）（b）竣工时刻核心筒变形（mm）

（c）竣工时刻外框柱与核心筒变形差（mm）

图10外框柱与核心筒变形图

竣工时刻，外框柱变形随着层数位置的增高先增大后减小。如前所述，考虑施工找平时结构变形的最大值并不在结构的顶层，而是处于中间层附近。外框柱的最大变形24.75mm，处于第14层。

外框柱与核心筒变形差随着层数位置的增高，先增大后减小，最后反向增大，变形差在第14层达到最大，为11.8mm，所以在施工期间应重视施工找平，确保施工完之后的实际标高与设计标高一致。

7考虑施工模拟下罕遇地震作用时程分析

考虑到斜拉杆在主体结构完工后才完全连接参与结构整体共同工作，因此在罕遇地震弹塑性时程分析时斜拉杆所在楼层需要进行施工模拟分析，以避免重力荷载在其中产生过大内力而提前破坏。分析中采用生死单元技术，使得斜拉杆与相关联的结构层自重一起施加，使得形成空间整体作用。

（a）剪力墙受压损伤（b）剪力墙受拉损伤

图11剪力墙整体损伤图

（a）框架梁损伤（b）斜拉杆损伤

（c）框架柱损伤（d）柱钢筋塑性应变

图12梁柱斜拉杆损伤图

图134F楼板混凝土受压损伤

图1413F楼板混凝土受压损伤

8结论

（1）对于考虑施工找平的结构，竖向变形沿高度呈弧状分布，即随着高度的增加变形先增大后减小，最大变形发生在中间层附近。内外筒变形差沿高度的分布规律为，结构下部外框架变形大于核心筒，结构上部则相反。随着施工过程的推进，结构最大内力与变形均在不断增大，在施工完毕时刻达到最大值，内外筒变形差由初始的核心筒变形大于外框架变形逐渐向外框架变形大于核心筒变形趋势转移。

（2）外框柱和核心筒同时承受上部结构自重及施工荷载的作用，均发生竖向变形。而外框柱的刚度小于核心筒的刚度，在上部荷载作用下，外框柱变形大于核心筒，随着施工的不断推进，两者的变形差逐渐增大直至整体竣工。

（3）结构主要构件的应力随着施工过程的推进在逐渐的增大，在竣工时刻达到最大值。

（4）对斜杆转换等复杂结构，考虑施工模拟分析，才能保证计算与实际相符合，保证结构在重力荷载下处于正常的初始应力状态，从而保证结构进行罕遇地震下弹塑性分析的正确性。

（5）施工期间，超高建筑结构在自重及施工荷载下将产生较大的压缩变形。虽然找平措施能保证结构层在施工阶段达到设计标高，但后期荷载作用使得结构进一步发生竖向变形。因此，有必要对超高建筑结构进行预变形分析研究，从而保证结构设计标高与实际标高的一致性。

参考文献

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.