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上海中心大廈施工模擬分析

2016-05-11 10:54:31 安裝信息網(wǎng)

王曉蓓1，高振鋒2，伍小平2

（1．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2．上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海200080）

[摘要]在施工過程中由于材料時(shí)變等因素引起的豎向構(gòu)件的累積變形效應(yīng)，是超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中需要考慮的關(guān)鍵問題，以上海中心大廈為例，考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)等影響因素，根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度建立施工過程有限元模型，上海中心大廈采用鋼骨混凝土組合柱，分別采用幾種簡化方法建立鋼混組合柱模型進(jìn)行施工過程模擬，得到核心筒和巨型柱在各施工階段的豎向累積變形，對各簡化方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，在上海中心大廈施工過程中，對豎向構(gòu)件變形及關(guān)鍵部位應(yīng)力進(jìn)行了長期監(jiān)測，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合，說明分析方法的可行性。

[關(guān)鍵詞]高層建筑；組合結(jié)構(gòu)；施工；數(shù)值模擬；豎向變形

[中圖分類號]TU375.4 [文章編號]1002_8498(2016)08-0030-04

1 工程概況

上海中心大廈位于浦東新區(qū)陸家嘴金融中心，毗鄰金茂大廈和環(huán)球金融中心，建成后將成為上海最高的摩天大樓，工程由超高層塔樓、裙房及地下室建筑組成，塔樓建筑高度632m，結(jié)構(gòu)屋頂高度580m。上海中心大廈采用“巨型框架-核心筒一外伸臂桁架”結(jié)構(gòu)體系，沿建筑高度方向，在B個(gè)區(qū)布置了6道2層高的伸臂桁架和8道箱形空間環(huán)形桁架，箱形空間桁架作為巨柱之間的有效抗彎連接，和巨型柱形成外圍巨型框架。核心筒底部為30m×30m的方形鋼筋混凝土筒體，隨高度增加墻厚逐漸減少，核心筒翼墻的配筋率為1% N2%，巨型柱由8根巨柱及4根角柱組成，采用型鋼混凝土組合柱，8根巨柱在第8分區(qū)終止，4根角柱在6區(qū)以下沿對角位置布置，如圖1所示。

2數(shù)值模擬

2.1 鋼骨混凝土柱模擬

本文采用以下幾種簡化方法對鋼骨混凝土組合柱進(jìn)行模擬。

1)換算截面法通過將鋼材的面積、慣性矩?fù)Q算成混凝土的特性，按照普通截面的計(jì)算原理進(jìn)行受力分析和內(nèi)力計(jì)算，在有限元分析中，用換算單元來組裝結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣，換算單元的內(nèi)力是作用在整個(gè)組合截面上的總內(nèi)力，這種方法可以用來計(jì)算組合截面的收縮徐變，缺點(diǎn)是不能直接得到鋼骨和混凝土單元在施工過程中的受力情況。模型中采用梁單元模擬，材料特性定義為混凝土，通過截面特性值調(diào)整系數(shù)調(diào)整截面特性，如表1所示。

2)雙單元法鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的混凝土部分和鋼結(jié)構(gòu)部分可以建立共節(jié)點(diǎn)的雙單元，這種方法能夠直接給出鋼材和混凝土單元在施工過程中的受力狀態(tài)，便于施工控制。模型中兩部分均采用梁單元模擬，分別定義材料特性和截面。

3)梁板模型法鋼骨混凝土柱的混凝土部分簡化為板單元，鋼結(jié)構(gòu)部分簡化為梁單元（見圖2），巨型柱混凝土板單元與鋼骨梁單元通過節(jié)點(diǎn)耦合的方式協(xié)同工作，這種方法能夠直接給出鋼材和混凝土單元的受力狀態(tài)，且能查看截面上構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。

2.2材料分析參數(shù)

混凝土收縮徐變效應(yīng)是超高層混合結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件累積變形分析的主要影響因素，目前有多種關(guān)于強(qiáng)度、收縮及徐變等時(shí)變特性的預(yù)測模型，本文選取歐洲規(guī)范CEB_FIP90預(yù)測模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

1)材料強(qiáng)度和彈性模量預(yù)測模型強(qiáng)度模型：

在數(shù)值模擬中，體表比按構(gòu)件實(shí)際體積與表面積之比計(jì)算，參照中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的上海氣候平均數(shù)據(jù)（平均數(shù)據(jù)1991-2010年，極端數(shù)據(jù)1951-2013年），收縮徐變模型相對濕度取80%。

2.3荷載及進(jìn)度計(jì)劃

按照工程實(shí)際施工進(jìn)度劃分施工階段進(jìn)行施工過程模擬，2~4層作為一個(gè)施工步，共劃分為51步，核心筒先行施工，外圍型鋼混凝土框架落后于核心筒5~10層，施工后期差距拉大到10~15層，混凝土樓板澆筑落后于鋼結(jié)構(gòu)6~12層，典型樓層的施工周期為4~8d，整個(gè)上部結(jié)構(gòu)施工周期約為1600d；數(shù)值模擬考慮構(gòu)件自重、樓面恒載（包括樓板自重和面層荷載）、幕墻恒載、施工活荷載，荷載按結(jié)構(gòu)施工順序逐步施加。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

按上述幾種簡化方法建立鋼骨混凝土柱模型進(jìn)行施工過程模擬，得到結(jié)構(gòu)全部施工階段的豎向累積變形。選取結(jié)構(gòu)封頂時(shí)核心筒( W1)和巨型柱(C1)的豎向變形進(jìn)行分析。

模型豎向變形考慮了樓層施工找平的影響，豎向變形由本層及上部層的荷載產(chǎn)生，變形曲線呈魚腹形分布，如圖3所示，豎向變形由收縮、徐變變形和彈性變形組成。對于核心筒，各個(gè)模型計(jì)算的變形基本一致，說明各個(gè)模型巨型柱的剛度基本一致，巨型柱的模擬方法不影響核心筒豎向變形的計(jì)算；對于巨型柱，梁板模型和雙單元模型的變形計(jì)算結(jié)果基本一致，而等效模型的豎向總變形最大值略大（相差5%~6%），由圖中可看出增大的變形主要由徐變變形引起，由于鋼材等效成混凝土，等效模型截面面積增大，徐變變形增大，引起總變形增大，為分析等效模型對長期豎向變形的影響，表2給出了梁板模型和等效模型計(jì)算的巨型柱在結(jié)構(gòu)封頂時(shí)、封頂3年后及10年后豎向變形的最大值。

從表2中可以看出，在各個(gè)施工階段，兩種模型計(jì)算的收縮和彈性變形基本一致，等效模型計(jì)算的徐變變形和總變形大于梁板模型，兩者總變形相差6%~7%，上海中心大廈巨型柱含鋼率在4%~6%，說明在這一含鋼率水平上，采用等效模型法計(jì)算的巨型柱豎向變形，與梁板單元法及雙單元法相差不大，建議可以采用其作為計(jì)算豎向變形的一種簡化方法。

由表2數(shù)據(jù)可知，收縮徐變變形占總變形的比例逐漸增加，且在前期發(fā)展較快，在結(jié)構(gòu)封頂后3年時(shí)間里增加的收縮徐變變形超過了在結(jié)構(gòu)封頂3~10年這7年內(nèi)增加的變形，從收縮徐變變形所占的比例來看，計(jì)算長期豎向變形不能忽略收縮徐變的影響。

4監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在結(jié)構(gòu)施工過程中對標(biāo)高進(jìn)行了測量，主樓標(biāo)高觀測點(diǎn)布置在觀測樓層的巨型柱和核心筒上，典型樓層的標(biāo)高觀測點(diǎn)如圖4所示，選取52層測點(diǎn)在2012年9月-2013年12月期間的標(biāo)高實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與實(shí)測時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)，按照上述數(shù)值模擬得到核心筒( W1)和巨型柱(C1)的監(jiān)測時(shí)間段的累積變形計(jì)算值，如圖5所示。

圖5中同時(shí)給出了52層所有核心筒和巨型柱監(jiān) 測點(diǎn)在監(jiān)測時(shí)間段的變形實(shí)測值，實(shí)測值扣除了監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)之間溫差的影響，從圖5中可以看出，隨施工步增加，豎向變形逐漸增大，部分實(shí)測值與計(jì)算值之間存在偏差，其產(chǎn)生的原因可能在于有限元模型的簡化、測量誤差等，但實(shí)測值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果總體上基本吻合，說明本文計(jì)算方法的可靠性，且從圖中可以看出巨型柱采用梁板模型和等效模型計(jì)算的豎向變形相差不大，與前面的結(jié)論一致。

在上海中心施工過程中對關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測，每區(qū)選擇1層樓面在巨型柱和角柱布置應(yīng)變測點(diǎn)，本文選取第7層巨型柱鋼骨在2011年11月-2014年6月期間的應(yīng)變監(jiān)測值進(jìn)行分析，應(yīng)力通過應(yīng)變乘以鋼材彈性模量得到，雙單元法和梁板模型法計(jì)算的應(yīng)力基本相同，等效模型法不能直接得到鋼骨在施工過程中的應(yīng)力情況，如圖6所示，負(fù)值表示受壓，隨著施工步的推進(jìn)，巨型柱鋼骨應(yīng)力呈增大趨勢，應(yīng)力實(shí)測值和計(jì)算值有一定偏差，造成偏差的原因很多，例如模型簡化、監(jiān)測環(huán)境影響等，但計(jì)算與實(shí)測結(jié)果總體上基本吻合，說明本文計(jì)算方法的正確性，可為超高層混合結(jié)構(gòu)的計(jì)算和施工提供參考。