超高层框架-核心筒结构施工模拟分析

赵 阳 （华东建筑设计研究总院，上海 200002）

1 引言

超高层框架-核心筒结构的框架柱与核心筒的竖向应力水平差别较大，因此，框架柱与核心筒间存在着较大的竖向变形差[1]。混凝土自身存在收缩现象，而且在荷载作用下会发生徐变。而混凝土的收缩徐变对墙、柱的压缩变形有很大的影响。因此对结构进行施工模拟时，应包括混凝土收缩和徐变变形。

因此，对于超高层框架-核心筒结构，应当分析框架与核心筒考虑弹性压缩、收缩、徐变影响的竖向变形差，以避免这种变形差异带来的不利影响。

2 工程概况

本工程为一幢超高层塔楼，共79层，5F～44F为办公区，46F～61F为公寓式酒店，66F～78F为酒店；建筑高度（大屋面）为349.7m，塔冠顶高为417.7m；地下室4层，地下四层建筑标高-20.300m；地上总建筑面积为22.6万m2。塔楼立面采用切削、收分的手法，形成对称的几何“钻石”造型，各层平面轮廓均随立面变化。建筑效果图见图1。

图1 建筑效果图

塔楼低区采用带加强层的框架-核心筒混合结构体系，其中框架由钢管混凝土直柱、斜柱和外周钢框架梁组成；塔楼高区采用带加强层的框架-支撑钢结构体系，其中框架由钢管混凝土柱、钢柱和钢框架梁组成。

3 施工模拟分析模型的建立

3.1 塔楼施工模拟及收缩徐变

塔楼结构主要屋面的高度为349.7m，整体结构施工过程较长，结构竖向构件在施工过程中的受力及变形状态与弹性分析不同。同时，由于框架柱与核心筒应力水平的不同，在竖向作用下会产生不同的轴向压缩量。核心筒、外框柱之间的不均匀变形对结构的影响应根据实际的施工方案进行专门研究。

本文采用MIDAS GEN V8.0对塔楼竖向荷载作用下（考虑收缩与徐变的影响）长期竖向变形进行计算分析，研究该结构长期竖向变形规律。

3.2 计算假定

①不考虑材料弹塑性性能，假定材料在弹性范围内工作；不考虑结构核心筒墙内钢骨与钢筋的影响；材料弹性模量、泊松比按《混凝土结构设计规范》（GB50010）和《钢结构设计规范》（GB50017）取用；

②将首层底板作为结构的嵌固端；

③不考虑压型钢板刚度影响，楼面简化为混凝土截面一次成型；

④在施工模拟计算模型中，钢管混凝土外框柱采用联合截面进行模拟计算。

3.3 计算依据及计算理论

①收缩徐变按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JGJD62-2004）[3]计算。

②抗压强度随时间的变化按欧洲CEB-FIP规范[4]计算。

3.3.4 计算参数

MIDAS GEN V8.0软件[5]主要计算参数如下：

①时间依存性材料（收缩和徐变）：《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JGJD62-2004）

收缩开始时的混凝土龄期：3d

环境相对湿度：70%

水泥种类系数：5（普通混凝土）

②时间依存性材料（抗压强度）：CEB-FIP规范

水泥类型：N，R：0.25（普通水泥）

3.4 施工方案

施工模拟计算基于以下施工时间假定：

核心筒7天一层，外框架7天一层，五层为一个施工阶段，同楼层的核心筒比对应的外框架提前一个施工阶段，即核心筒开始第十层施工时，外框架开始第五层施工，依次类推。结构地面以上建设时间共为539天。

3.5 分析荷载及组合

在施工模拟计算中，综合考虑了结构自重、施工阶段恒荷载、施工阶段活荷载，荷载组合系数均采用1.0。

4 竖向变形分析结果

基于上述假定，研究考虑弹性压缩、收缩及徐变的外框柱与核心筒墙体之间的变形差异。考虑塔楼的对称性，如图2所示，选取四对观测点进行对比分析。

图2 塔楼徐变测点示意图

首先对施工完成时，外框柱及核心筒墙肢的竖向变形进行了对比分析。由于施工完成两年后，混凝土的收缩徐变基本稳定，因此还对比了构件在施工完成两年后的竖向变形。

4.1 施工完成后外框柱竖向变形分析

下面分别给出了各楼层4根框架柱的竖向变形，由计算结果可知：

在施工完成时，弹性压缩变形及混凝土的徐变几乎组成了观测点的轴向总变形，而收缩占总变形的比例相对较小。以中间楼层（52F）为例，弹性压缩变形约为总变形的61%左右，而混凝土徐变约为总变形的28%。

考虑施工模拟影响，外框柱各楼层的总变形先是随着楼层的增加而变大，在中间楼层处达到最大值，之后随着楼层增加其变形减小。

图3 施工完成后外框柱变形

4.2 施工完成后核心筒墙肢竖向变形分析

下面分别给出了各楼层4个观测点处墙肢的竖向变形，由计算结果可知：

施工完成时，弹性压缩变形及混凝土的徐变之和几乎等于轴向总变形，收缩变形所占比例相对较小。以中间楼层（52F）为例，弹性压缩变形约为总变形的49%左右，而徐变约为总变形的41%；

由各观测点计算结果可知，核心筒墙肢随楼层变化规律同外框柱相似。。

图4 施工完成后墙体变形

4.3 施工完成两年后外框柱竖向变形分析

图5 施工完成两年后外框柱变形

下面分别给出了各楼层4根框架柱的竖向变形，包括了弹性压缩变形，以及混凝土的收缩和徐变。由计算结果可知：

与施工完成时相比，在施工完成两年后，以中间楼层（52F）为例，总变形约增加了4%左右，变化很小。

施工完成两年后外框柱总变形随楼层变化规律同施工完成时相似。

4.4 施工完成两年后核心筒墙肢竖向变形分析

下面分别给出了各楼层4个观测点处墙肢的竖向变形，包括了弹性压缩变形，以及混凝土的收缩和徐变。由计算结果可知：

与施工完成时相比，在施工完成两年后，墙体总变形增加明显，其中混凝土徐变变形增加比较显著，而收缩变形也有所增加。以中间楼层（52F）为例，总变形约增加了19%，弹性压缩变形约为总变形的41%，而徐变约为总变形的44%，收缩约为15%；

施工完成两年后核心筒墙肢总变形随楼层变化规律同施工完成时相似。

图6 施工完成两年后墙体变形

4.5 施工模拟外框柱与核心筒墙体位移差分析

下面分别给出了各楼层4个观测点处外框柱与核心筒墙肢的竖向总位移差，由图表可知：

图7 各观测点外框柱与核心筒墙体总位移差

与施工完成时相比，在施工完成两年后，外框柱与核心筒墙肢的竖向总位移差增大，且总体上，随楼层增高，位移差增大。

5 结语

本文以一栋超高层塔楼为工程背景，着重分析与研究了超高层建筑在竖向重力荷载作用下，框架柱与核心筒墙体之间的变形差异问题，得到了以下结论：

①在施工完成时，框架、核心筒墙体的竖向变形均以弹性压缩变形及混凝土的徐变为主，收缩变形所占比例相对较小；

②在施工完成两年后，框架与施工完成时相比，竖向总变形变化很小；核心筒墙体总变形增加明显，其中混凝土徐变变形增加比较显著，而收缩变形也有所增加。

③在施工完成时、施工完成两年后，框架、核心筒墙体的总变形随楼层变化规律是相似的，各楼层的总变形先是随着楼层的增加而变大，在中间楼层处达到最大值，之后随着楼层增加其变形值减小。

④与施工完成时相比，在施工完成两年后，外框柱与核心筒墙肢的竖向总位移差增大，且总体上，随楼层增高，位移差增大。