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《建設(shè)監(jiān)理雜志》2014年第二期

1工程概況與研究參數(shù)

1.1工程概況上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)X2地塊設(shè)計(jì)為獨(dú)具特色的超高層建筑，占地面積約6.4萬(wàn)m2，項(xiàng)目規(guī)劃建筑面積約為60萬(wàn)m2。擬建項(xiàng)目含地下室4～5層；裙房4層，高度為24m；1棟23層低座酒店，高度為85m；1棟57層南塔樓，高度為260m；1棟55層北塔樓，高度為250m。塔樓主要為高級(jí)辦公樓、酒店及公寓式酒店，建成后將成為該地區(qū)標(biāo)志性建筑。其中南北兩座塔樓結(jié)構(gòu)采用鋼與混凝土的組合結(jié)構(gòu)，塔樓抗側(cè)力體系主要由混凝土核心筒、外圍巨型柱承擔(dān)，并設(shè)有三道巨型桁架增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。結(jié)構(gòu)豎向荷載由巨型柱(鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu))和混凝土核心筒共同承擔(dān)。

1.2研究?jī)?nèi)容由于鋼、混凝土材料性能迥然，尤其是材料時(shí)變特性的影響，造成結(jié)構(gòu)實(shí)際成形結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算假定不符，產(chǎn)生誤差。高層復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，荷載工況多，結(jié)構(gòu)存在顯著的豎向變形差異。過大的豎向變形差異成為施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素。混凝土的齡期、收縮、徐變以及構(gòu)件受力不均等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向變形有影響，這些因素均是與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，表現(xiàn)在施工過程中主要是施工速率的影響。(1)X2地塊超高層建筑施工工期短，決定了混凝土澆注后加載齡期早，而過早的加載齡期對(duì)混凝土的強(qiáng)度、彈性模量、收縮、徐變均有不利影響。如何選擇合理的施工速率控制結(jié)構(gòu)豎向變形，保證工程順利進(jìn)行是一項(xiàng)主要研究?jī)?nèi)容。(2)選定施工速率之后，確定平差標(biāo)準(zhǔn)，在施工中預(yù)先提高施工標(biāo)高，使結(jié)構(gòu)標(biāo)高在施工期結(jié)束后等于設(shè)計(jì)標(biāo)高，及時(shí)調(diào)整巨型柱與核心筒變形差異，保證工程安全進(jìn)行。

1.3計(jì)算假定計(jì)算假設(shè)如下：(1)本文主要研究上部結(jié)構(gòu)豎向變形，不考慮地基不均勻沉降引起的部分，假定結(jié)構(gòu)與地面剛接。(2)每5層作為一個(gè)豎向變形研究特征層。(3)討論外圍巨型柱與核心筒變形時(shí)，取同一樓層外圍巨型柱變形平均值與核心筒角部變形平均值進(jìn)行分析。(4)結(jié)構(gòu)體系在施工期承受自重作用，樓面荷載考慮200kg/m2，并按面積分配到巨型柱和核心筒上，取荷載標(biāo)準(zhǔn)組合。(5)不考慮水平荷載和水平構(gòu)件對(duì)豎向變形的影響。

1.4計(jì)算參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，主體主要承重結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)見表2。巨型框架柱外圍截面尺寸由2000×2600變化到2000×2000，其內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)勁性骨架變化頻繁，主要承重鋼結(jié)構(gòu)鋼材等級(jí)均為Q345。根據(jù)已有施工方案，通過MIDAS有限元計(jì)算分析軟件建立結(jié)構(gòu)數(shù)值模型時(shí)，認(rèn)為內(nèi)部混凝土核心筒領(lǐng)先外部結(jié)構(gòu)5層施工。模型中共劃分58個(gè)施工階段，并采用梁?jiǎn)卧M結(jié)構(gòu)中梁柱構(gòu)件，使用梁?jiǎn)卧⑼ㄟ^釋放梁端約束的方式模擬桁架層中鉸接構(gòu)件，核心筒墻單元基于薄板理論計(jì)算。施工過程中考慮混凝土材料齡期、收縮、徐變特性時(shí)，均采用CEB-FIP模型，其具體參數(shù)取值詳見表3。結(jié)構(gòu)整體模型如圖2所示，比較詳盡地反映了整體結(jié)構(gòu)中墻、柱、梁、桁架、板的實(shí)際尺寸和位置關(guān)系，共建立了35000多個(gè)單元，其中墻單元有7000多個(gè)，板單元有9300多個(gè)，梁?jiǎn)卧?9200多個(gè)。桁架層也全部采用梁?jiǎn)卧獊?lái)處理，通過釋放梁端的約束，來(lái)模擬桁架層的受力和變形問題。

2不同分析方法的結(jié)構(gòu)豎向變形研究

結(jié)構(gòu)施工過程期間是時(shí)變結(jié)構(gòu)體系，隨著施工過程的推進(jìn)，結(jié)構(gòu)幾何形狀、邊界條件、荷載狀況不斷變化。混凝土材料的特性也在不斷變化。使用一般整體模型分析方法和考慮施工階段分析方法得出結(jié)果存在不同。采用結(jié)構(gòu)一次整體加載模型與按5d/層分析結(jié)果進(jìn)行比較分析，如圖3和圖4所示。由上述分析結(jié)果可知：采用整體模型分析時(shí)，外圍巨型柱及核心筒豎向變形隨樓層增加而累計(jì)增長(zhǎng)，其中外圍巨型柱最大豎向變形為44.6mm，核心筒最大豎向變形為32.4mm，均發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂層，最大豎向變形差為7.5mm，發(fā)生在結(jié)構(gòu)45層處；采用施工階段模型分析時(shí)，外圍巨型柱及核心筒豎向變形在結(jié)構(gòu)底部、頂部小，中間層變形大的特點(diǎn)，其中外圍巨型柱最大豎向變形為61.7mm，核心筒最大豎向變形為34.0mm，最大豎向變形差為27.7mm，均發(fā)生在結(jié)構(gòu)35層處。通過比較發(fā)現(xiàn)，整體模型分析法與施工階段分析法得出結(jié)果存在差別。常規(guī)分析手段下，認(rèn)為結(jié)構(gòu)一次成型，荷載一次施加，未考慮施工過程中無(wú)形補(bǔ)償?shù)牟糠纸Y(jié)構(gòu)變形(施工前變形)。因此，結(jié)構(gòu)豎向變形曲線呈現(xiàn)出逐漸累加遞增的特點(diǎn)。而在實(shí)際施工條件下，通過絕對(duì)標(biāo)高控制法已經(jīng)無(wú)形補(bǔ)償了施工前變形，結(jié)構(gòu)實(shí)際變形應(yīng)為上部荷載引起的結(jié)構(gòu)變形(施工后變形)。結(jié)構(gòu)施工后變形由上部荷載引起，荷載越大，變形越大，豎向變形曲線理論上應(yīng)逐漸遞減，本模型采用了結(jié)構(gòu)底部固接假定，因而豎向變形在結(jié)構(gòu)底部為零，隨后逐漸增大，繼而再減小的“中間大，兩頭小”的分布特征。因此，在符合模型計(jì)算假定的情況下，采用施工階段分析法更符合實(shí)際工程情況。

3不同施工速率下結(jié)構(gòu)豎向變形研究

針對(duì)混凝土該特性，需要在高層結(jié)構(gòu)施工過程中選用合理的施工速率，采用不同的施工速率3d/層、5d/層、7d/層進(jìn)行核心筒和巨型柱的變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。核心筒和巨型柱不同施工速率下的變形幾乎是一致的，無(wú)論是外圍巨型柱、核心筒，還是兩者變形差均在結(jié)構(gòu)底部、頂部最小，并在結(jié)構(gòu)中部達(dá)到最大，因此施工速率對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形幾乎沒有影響。根據(jù)此分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度、協(xié)調(diào)等方面，建議施工時(shí)采用5d/層的施工方案。

4施工速率5d/層情況下，結(jié)構(gòu)豎向變形研究

結(jié)構(gòu)豎向變形由自重作用以及施工荷載作用下的彈性變形、混凝土收縮變形、徐變變形組成，其計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。通過計(jì)算分析可知，巨型柱以及核心筒的彈性變形、混凝土徐變變形、收縮變形在結(jié)構(gòu)底部、頂部很小，在結(jié)構(gòu)中部達(dá)到最大值。巨型柱最大總變形為61.7mm，其中彈性變形為42.9mm，徐變變形為16.8mm，收縮變形為2mm。核心筒最大總變形34.0mm，其中彈性變形為20.7mm，徐變變形為11.7mm，收縮變形為1.6mm。巨型柱與核心筒間變形差在結(jié)構(gòu)底部、頂部很小，隨著結(jié)構(gòu)層增加，變形差出現(xiàn)三個(gè)相對(duì)最大值，兩個(gè)相對(duì)最小值，相對(duì)最小值發(fā)生在25層、40層。變形差曲線呈現(xiàn)該特征的主要原因是在25層、40層以及頂部附近有三道剛度很大的桁架層，約束了巨型柱和核心筒的相對(duì)變形，因此出現(xiàn)了變形差相對(duì)最小值，而在結(jié)構(gòu)底部采用了固接假定，故變形差為零。

5豎向變形調(diào)整方法

超高層建筑施工過程中，需要保證施工層的標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，進(jìn)行施工平差處理，補(bǔ)償已發(fā)生的變形。施工中一般采用絕對(duì)標(biāo)高控制，該方法施工測(cè)量人員不必精確知道補(bǔ)償值大小，只需要施工層滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高即可，其補(bǔ)償部分為施工本階段前完成結(jié)構(gòu)的豎向變形。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，制定施工平差方案：核心筒和巨型柱每5層調(diào)整一次，調(diào)整位置位于調(diào)整區(qū)段頂部，調(diào)整后結(jié)構(gòu)標(biāo)高應(yīng)等于該層處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)高加上構(gòu)件的預(yù)拋高值。根據(jù)施工組織、進(jìn)度選定了合理的施工速率，通仿真分析得到了巨型柱、核心筒豎向變形以及兩者的變性差異，給出了施工過程中構(gòu)件預(yù)拋高值和建議的施工平差方案。

6結(jié)語(yǔ)

以上海X2地塊超高層建筑為工程背景，運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)管理模型，根據(jù)其先分類后識(shí)別的原則，將施工過程中可能導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的力學(xué)問題分為合理的施工速率以及由材料性能差異引起的結(jié)構(gòu)變形差的平差標(biāo)準(zhǔn)兩大類。設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，建筑外形越來(lái)越來(lái)新穎，結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越不規(guī)則,涌現(xiàn)出了越來(lái)越多的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑，給施工帶來(lái)了許多力學(xué)問題，從而產(chǎn)生了諸多不確定因素，因而埋下了風(fēng)險(xiǎn)隱患。運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行識(shí)別、評(píng)價(jià)、處置的方法已普遍應(yīng)用。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，使得采用仿真技術(shù)模擬施工全過程，對(duì)關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)采取定量分析，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

作者：李智單位：上海建通工程建設(shè)有限公司