免責聲明：本文來自廣東土木與建築《某超限高層框筒結構豎向變形差分析》作者：駱志成，張龍生

摘要：為準确模拟施工過程結構的受力和變形狀态，考察剪力牆和框架柱的豎向變形差異，利用Midas/Gen 對某超高層框筒結構進行施工模拟分析。分析結果對于設計及施工過程均有一定的指導意義，施工時應對結構進行逐層找平，并應考慮到荷載長期效應對結構的影響。

關鍵詞：超限高層；施工模拟；豎向變形；收縮徐變

1 工程概況

本項目地塊規劃有廣汕鐵路和穗莞深城際鐵路，廣州地鐵13 号線與16 号線在此交彙。凱達爾樞紐國際廣場規劃設計為集辦公、酒店、商業、零售購物及休閑娛樂為一體的大型商業綜合體，用地面積38 697.1 m2，規劃總建築面積約365 100 m2。如圖1 所示，項目規劃方案由4 層地下室，13 層裙房，以及兩棟超高層塔樓（西塔234.85 m，東塔182.25 m）組成。

西塔49 層，高234.85 m，建築面積92 034 m2，采用框架核心筒結構體系，結構高寬比為4.74，核心筒高寬比為9，屬超B 級高度高層建築［1］。西塔平面呈等邊三角形，角部做圓弧過渡，核心筒也為削角等邊三角形。采用Midas/Gen 軟件對西塔進行施工模拟分析，并考慮混凝土收縮徐變的影響。施工模拟分析的目的，主要是準确模拟施工過程結構的受力變形狀态，并且考察剪力牆筒體和框架柱的豎向變形差異，對設計及施工提出指導意見。目前國内也有一些超高層施工模拟的工程實例［2-10］，本工程實例可供後續類似工程作為參考。

根據框架核心筒結構體系，如圖2 所示，分别選取

核心筒三個面上的剪力牆測點：牆1 測點、牆3 測點、牆4 測點，以及内部的牆2 測點，作為剪力牆豎向位移的考察對象，再選取與剪力牆測點相對應的外框柱測點：柱1 測點、柱3 測點、柱4 測點，以及角點的混凝土方柱（柱2 測點），分析剪力牆筒體和框架柱的在施工模拟過程中的豎向變形差異,由于篇幅有限，文中僅列出典型測點，牆1 測點和柱1 測點的分析結果。

Gen 分析模型中，剪力牆采用牆單元，梁柱采用梁單元，樓闆荷載分配在梁上。鋼管柱采用聯合截面定義，考慮鋼管與混凝土的協同作用。

為了準确考慮各層豎向位移、位移差以及施工階段内力變化情況，保證結構的安全性和适用性，施工模拟分析時考慮施工期間材料的時變特性。舉例說明C60 收縮徐變定義，收縮徐變函數采用《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範：JTG D62-2004》；28 d 材齡抗壓強度（标号強度）60 N/mm2；相對濕度取70%；構件的理論厚度h0 取1 m（先假定此值，程序可以自動計算）；開始收縮時混凝土材齡為3 d。設定C60~C70 的抗壓強度發展函數，混凝土材料強度随時間變化特性取CEB-FIP；水泥類型為N，R:0.25。

施工模拟加載方式如表1 所示，模型中一個樓層對應一個結構組和荷載組。結構封頂階段，4 7 層的塔樓部分共分47 個施工階段，前後工期約為470 d，整個分析過程均考慮收縮徐變的影響。

4.1 外框柱1 及剪力牆1 的豎向變形分析

圖3 為柱1 測點的本層及上部樓層和下部樓層引起的彈性變形和總變形曲線圖。從圖3 中可知：柱1測點最大變形總量為施工完最後一層後的153.7 mm，最大彈性變形總量為84.3 mm，這是不考慮施工找平的最大變形量，一般施工階段都會進行施工找平，施工找平後下部樓層引起的變形會被消除。

圖4 為柱1 測點考慮施工找平的豎向變形曲線。從圖4 可以看出：随着樓層數增加，柱1 測點的豎向變形也增加，最大豎向變形發生在25 層為67.6 m，其中彈性變形為39 mm，徐變加收縮變形為28.6 mm，收縮徐變引起的變形占總變形的比例為42.3%。

圖6 為牆1 點的本層及上部樓層和下部樓層引起的彈性變形和總變形曲線圖，從圖6 中可知：牆1點最大變形總量為施工完最後一層後的118.3 mm，最大彈性變形總量為54.9 mm。

圖7 為考慮找平後牆1 點的豎向變形曲線。從圖7 可以看出：随着樓層數增加，牆1 點的豎向變形也增加，最大豎向變形發生在26 層，為48 mm，其中彈性變形為22.1 mm，徐變加收縮變形為25.9 mm，收縮徐變變形占總變形的比例為54%。

從圖8 可知，結構封頂時牆1 點的最大豎向變形為26 層的48 mm，而結構封頂後5 年變化為39 層的104.4 mm。

從圖9 可以看出：封頂時，最大豎向變形差發生在20 層，為21.1 mm。彈性變形引起的變形差為18.9 mm，可見，收縮徐變引起的變形差占總變形差10%。

從圖10 可知，結構封頂時柱1 和牆1 的最大豎向變形差為20 層的21.1 mm，而結構封頂後5 年變化為21 層的32 mm。

由圖11 可知，在施工過程中底層框架柱内力變化較為均勻，與預期吻合。

表2 為典型牆柱支座反力在不同情況下的對比，從數據可知，收縮徐變對豎向構件内力影響較小。

由以上分析可以知結構在22 層剪力牆與框架的變形差異較大，因此取22 層A 和A1，B 和B1 間的梁作為分析對象，考察不同情況下梁的内力情況。梁1為A 和A1 間的梁段,梁2 為B 和B1 間的梁段。由表3 可知，一次性加載下梁端彎矩和剪力最大。施工模拟考慮收縮徐變時，梁端彎矩和剪力相對較小，收縮徐變對梁内力影響程度比對豎向構件稍大。

本章主要對西塔塔樓進行施工模拟分析，考慮了材料時變特性引起的收縮徐變對結構豎向變形及内力的影響，得出如下結論：

⑴ 材料時變特性引起豎向變形占總豎向變形的40%~60%，不考慮收縮徐變變形會低估結構的變形。

⑵ 封頂階段，結構的最大豎向變形發生在25~27層，最大豎向變形差發生在結構的20~22 層，結構的中間位置，沿上部和下部逐漸變小。結構封頂後5 年，由于收縮徐變的影響，結構的最大變形發生結構的33~44 層。

⑶ 施工過程中各構件内力變化均勻合理，這與預期設想相符合。整個施工模拟過程較為準确的反映了真實的施工過程的内力及位移變化情況，施工過程強度，剛度及穩定性都能達到設計要求。

⑷ 對于工程設計的指導：收縮徐變使高層建築結構産生較大的豎向變形，必須對結構進行考慮收縮徐變的施工過程分析。相對于混凝土結構構件，鋼管混凝土結構構件的徐變變形較小，但仍應給予考慮，否則計算結果誤差較大。

數值計算結果表明：使用階段鋼管混凝土柱和核心筒的豎向位移差較大。該差值會引起較大的附加彎矩和附加剪力，在實際工程設計中應盡量考慮該影響。

⑸ 對于施工過程的指導：為實現設計目标和保證長期使用安全，高層建築施工時對結構應進行逐層找平，并應考慮到荷載長期效應對結構的影響。

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