大型地下室核心结构体系转换过程中的仿真分析与施工监测*

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 工程概况

某超高层建筑位于大连市中山区，东北侧紧邻繁忙的市区道路，南侧有在建地铁站房（暗挖法施工），其余周边场地内均为已建或在建超高层建筑，见图1。地下室占地面积约8 500 m2，地下5 层。在结构施工至地下1层顶板处时，设计方案更改，由原设计结构主体高340 m、地上78 层，地下5 层，变更为结构高度370 m、地上85 层、地下7 层。

图1 设计变更前已建地下室现状

本工程主体为钢筋混凝土核心筒与型钢混凝土柱外框架组成的混合结构体系，设计变更后需将已建核心筒和巨柱拆除，再按新的设计方案重新建造。由于工程周边环境复杂，设计变更施工风险大，变形控制要求高。本文以南面巨柱拆除为对象，对巨柱拆除过程中的各工况进行数值模拟分析，指导施工过程，通过巨柱拆除过程的实时监测结果与有限元模拟结果对比分析，保证整个核心结构拆除过程安全可控[1-3]。

2 施工方案

按施工方案要求，先增加南侧地下室外墙斜撑，拆除原有核心筒，待新建核心筒混凝土强度满足要求后，设置新核心筒与地下室外墙水平临时支撑，再拆除南侧巨柱，施工流程见图2。

图2 施工流程示意

设置水平临时支撑是为确保地下室外墙的稳定，防止地下室发生坍塌事故[4,5]。根据核心筒拆除时的计算和监测结果，结合现场实际情况，地下室南侧B5～B3层每层设置8根临时支撑，B2层设置4 根临时支撑。临时支撑采用Q345钢管，φ609 mm，厚16 mm。

3 工程特点与难点

1）工程场地周边环境复杂，紧邻正在施工的地铁车站，地下室侧墙距离最为繁忙的市区道路仅有2 m，西侧为一幢超高层建筑，施工变形控制要求高。

2）核心结构拆除过程是地下室外墙力系转换过程，原由巨柱承担的侧向力需转换由新建核心筒承担，整个施工过程情况复杂，施工难度大，危险性高。

4 数值模拟

采用有限元分析软件MIDAS/GEN建立核心结构拆除过程整体结构的有限元模型，如图3所示。

图3 有限元整体模型

4.1 建模原则

1）核心筒墙体和地下室外墙采用厚板单元模拟，楼板采用板单元模拟，型钢混凝土柱采用组合截面梁单元模拟；

2）忽略地下室底板作用，柱和核心筒底部均采用固结；

3）忽略次要构件及洞口影响。

4.2 荷载及分项系数取值

地下室侧墙承受的土压力取静止土压力，静止侧压力系数K0取0.5，仅考虑自重和土压力作用，荷载组合分项系数均取1.0。

4.3 施工过程分析

已建结构数值分析表明，巨柱为承担侧向土压力主要构件，核心筒对承担土压力贡献较小，为此，仅考虑新核心筒完成后的施工过程，主要分两大施工阶段：

1）从B5～B2层分别设置水平临时支撑， B5层钢管每根设400 kN预顶力，B4～B2层钢管每根设300 kN预顶力。

2）从B1～B6层依次拆除巨柱和相应楼面板。由于拆除B4～B6层巨柱施工风险最大，此时增加监测频率。

工况一：钢支撑预顶力加载完成；

工况二：拆除B1～B3层巨柱；

工况三：拆除B4层巨柱；

工况四：拆除B5层巨柱；

工况五：拆除B6层巨柱。

4.4 计算结果与分析

B3～B5层各临时水平支撑的轴向应力累积增量计算值如图4～图6所示。

图4 B3层测点轴向应力累积增量计算值

图5 B4层测点轴向应力累积增量计算值

图6 B5层测点轴向应力增量计算值

从数值模拟的计算结果可以看到，B1～B6层的巨柱拆除过程中，临时支撑应力累积增量在30 MPa以内，应力增长趋势较平缓，未出现应力超限及应力突变较大的情况，此施工方案对地下室结构整体及水平支撑是安全的。

5 应力和变形监测

5.1 测点布置原则

1）施工过程中的危险部位，对应力和变形绝对值和变化值较大的构件布置测点进行监控；

2）施工过程中主要受力构件进行应力和变形监控；

3）根据现场情况适当调整，选取布置方便、容易保护的部位布置测点；

4）尽量避开复杂受力的部位。

5.2 测点布置

1）应力测点布置在水平临时支撑上，每层8 个测点，从B3～B5层共24 个测点，如图7所示。

2）位移测点布置在地下室外墙内侧的楼板上，如图8所示，图中黑点表示测点位置，每层6 个测点，从B1～B6层共36 个测点。

图7 临时支撑应力测点布置

图8 楼面位移测点布置

5.3 实测结果

5.3.1 应力监测结果

B3层和B5层各测点轴向应力累积增量见图9、图10。

图9 B3层测点轴向应力累积增量实测值

图10 B5层测点轴向应力累积增量实测值

5.3.2 变形监测结果

B4层和B6层各测点Y向位移实测值见图11、图12。

5.4 实测结果小结

从实测结果可以看到，巨柱在拆除过程中的临时支撑应力累积增量基本在30 MPa以内，个别点应力增量为33 MPa，未出现应力超限及应力突变较大的情况。楼面测点位移变化均匀，每层拆除过程中也未超过单层拆除结构安全报警值（5 mm），这表明巨柱拆除过程中结构处于可控状态，结构整体状态在控制预期范围内。

图11 B4层测点Y向位移实测值

图12 B6层测点Y向位移实测值

6 实测结果与有限元模拟结果对比

为方便结果对比，选取有代表性监测点的实测值与模拟值进行对比，监测点位置如图7和图8所示。

6.1 实测结果与计算结果对比

6.1.1 应力对比

B3层和B5层各取2 个测点进行轴向应力累积增量对比，如图13～图16所示。

图13 B3层测点3应力实测值与计算值

图14 B3层测点5应力实测值与计算值

图15 B5层测点3应力实测值与计算值

图16 B5层测点5应力实测值与计算值

6.1.2 位移对比

B4层和B6层各取2 个测点进行Y向位移对比，如图17～图20所示。

图17 B4层测点B位移实测值与计算值

图18 B4层测点C位移实测值与计算值

图19 B6层测点B位移实测值与计算值

图20 B6层测点C位移实测值与计算值

6.2 小结

从实测值与计算值的对比可知，背景工程变形、应力的实测值与理论计算值吻合较好，结构体系转换较好地符合了方案预期，采用全过程有限元模拟仿真分析比较，正确地反映了巨柱拆除过程中结构主体和临时支撑的受力变化，保证了施工的顺利实施。

7 结语

采用加设水平临时支撑的方法对地下室外墙进行结构体系转换施工，通过仿真分析模拟施工全过程，为结构力系转换提供了理论支撑，再通过有限元模拟结果和现场实时监测数据的对比，验证有限元模拟的准确性并对下一步施工提供预测[6-8]。

本工程通过仿真分析模拟结构体系转换施工和现场实时监测，有效地完成了结构地下室核心结构拆除过程中临时支撑荷载转换，确保施工过程安全可控，保证了结构安全和整个施工过程的顺利进行，为日后同类工程施工提供了参考。