深圳平安金融中心施工监测与模拟研究

李秋胜++周康++贺映候++汪辉

摘要：以在建的深圳平安金融中心为工程背景，进行了施工阶段的健康监测与施工全过程模拟研究。施工阶段健康监测以结构的竖向变形、关键部位应力以及荷载监测为主，施工全过程模拟根据实际施工进度并考虑材料的时变效应对结构进行有限元建模分析。结果表明：核心筒的累计竖向变形大于巨柱，累计竖向变形与所处施工阶段和结构高度有关，施工压缩预调方法可以有效补偿结构的累计竖向变形；结构应力随着施工的进度而均匀变化，上部结构每施工1层，核心筒压应力约增加0.09 MPa，巨柱压应力约增加0.11 MPa；在实测荷载作用下，结构层间位移角满足规范要求，结构在施工阶段是安全稳定的；模拟分析结果与实测数据吻合较好，可为类似工程提供参考。

关键词：超高层建筑；健康监测；有限元模拟；施工阶段；竖向变形；结构应力

中图分类号：TU355 文献标志码：A

0 引 言

随着社会经济发展与科学技术进步，近年来兴建了大量的超高层结构，至2020年，全球将至少建成8座高度超过600 m的超高层建筑。据统计，高度超过250 m的高层建筑施工周期一般长达4～5年，由于结构的不完整性、结构抗力的不成熟性以及所受荷载的复杂性等不利因素的存在，会大幅增加结构在施工阶段的风险率以及失效概率。另外，超高层建筑的使用期限较长，通常可达几十年乃至上百年，在材料老化疲劳、荷载长期作用以及台风地震等不利因素的耦合作用下，不可避免会导致结构损伤累积及抗力衰减，在极端情况下甚至有可能引发灾难。

在施工阶段和使用阶段对超高层结构的健康状况进行监测和损伤诊断，并评估结构的安全性、适用性和耐久性具有重要意义。本文以在建的深圳平安金融中心为工程背景，介绍施工阶段的健康监测系统，将施工阶段获得的实测数据与有限元模拟结果进行对比分析，为超高层结构合理施工与优化设计提供参考。

1 工程概况

深圳平安金融中心（PAFC）位于深圳市福田区，是深圳市标志性建筑之一。PAFC主体结构形式采用加筋混凝土核心筒巨型钢伸臂型钢混凝土巨柱混合结构，总建筑面积达46万m2，地上118层，地下5层，结构高度为597 m，建筑总高度达660 m，完工后将超过上海中心大厦成为中国第一、世界第二高楼，主楼效果图及施工现场如图1所示。

2.1 系统组成

PAFC健康监测系统主要包括4个模块子系统，各模块协同工作以监控结构施工阶段的安全生产，保障使用阶段的安全运营，为超高层结构安全评定提供技术支持。4个模块子系统为：

（1）传感测试系统。根据监测内容在结构相应部位布设传感器，用于获得结构的温度、应力、应变及荷载响应等信息。

（2）数据采集与传输系统。将传感器采集到的信息转化为数字信号，并进行信号调理与数据传输。

（3）数据处理与评估系统。进行数据整理及预处理，计算目标监测量，并通过统计分析、特征提取等手段获取长期规律及模型参数等用于评估。

（4）结构健康评估系统。对监测数据进行处理分析，将其转换为结构状态或损伤信息，提供结构安全预警与综合评估。

2.2 监测项目及监测设备

PAFC健康监测项目在施工阶段主要包括气候环境、荷载、竖向变形以及关键部位应力、应变等，在结构使用阶段将新增加结构模态、阻尼监测、幕墙风压、风场和地震动以及关键楼层的加速度响应等监测项目，主要监测设备的楼层布置见图2，共包括11种共计428个传感器及6种监测设备。鉴于该项目尚处于施工阶段，本文将对该阶段的监测项目和监测设备进行简要描述。

2.2.1 竖向变形以及关键部位应力、应变监测

为了能够适用于恶劣的施工环境，该项目选用光纤布拉格光栅（FBG）传感器进行结构温度、竖向变形以及应力监测。当结构的待测参量发生改变时，光栅的周期和纤芯模有效折射率将会发生变化，从而改变中心波长，随后通过光谱分析仪或波长解调仪对反射光的波长进行分析，即可获得待测参量的变化情况[1]。由于监测点数目有限，根据PAFC所进行的初步施工模拟分析结果，选取变形和应力较大的巨柱和核心筒角部作为楼层的监测布点；监测楼层沿高度均匀分布，以得到结构整体的竖向变形与应力发展规律。图3为光纤光栅传感器的测点布置及安装实图。

2.2.2 气候环境监测

采 用WP3103自动采集气象站对气温、湿度、

FBG Sensors雨量及气压等气象要素进行连续实时监测，并对结构的工作环境进行评估。施工阶段气象站放置于核心筒塔吊上，随着施工进行不断提升，使用阶段将会安装在塔楼顶部露天处，现阶段放置于核心筒B2的118层顶板，气象站安装见图4。

2.2.3 地震动监测

选用触发式采集模式的GDQJ型强震仪对地震动加速度及施工振动进行记录，并结合有限元模型评估地震动对结构的影响。强震仪安装于地下室底层核心筒内墙，安装现场见图5。

3 有限元全过程模拟

采用MIDASGEN对结构进行从开始施工到使用50年的全过程模拟，建模分析考虑结构、材料、荷载以及边界条件的时变性，主要步骤如下：

（1）建立分析模型，施加荷载并指定边界条件。考虑到结构受力特点、计算效率以及施工模拟的需要，巨柱、核心筒及连梁采用板单元模拟，梁、斜撑以及桁架等采用梁单元模拟。荷载主要考虑自重以及施工活荷载，楼面施工活荷载取2.5 kPa[2]，爬模及楼顶塔吊自重通过分布荷载的形式施加在核心筒墙体上，楼面荷载在结构投入使用后替换施工荷载。考虑深基础效应将结构底部边界条件定义为固端约束，伸臂桁架采用先铰接后刚接处理。

（2）定义混凝土收缩系数、徐变系数和强度发展函数。参考文献[3]～[5]的建议选取CEBFIP（90）混凝土收缩模型、徐变模型及强度发展模型，环境相对湿度根据深圳市平均相对湿度取77%，收缩开始时的混凝土龄期取为3 d，核心筒（C60）及巨柱（C70）混凝土时变模型如图6所示。

（3）根据实际施工进度建立结构组、荷载组和边界组并定义施工阶段。

（4）运行分析并进行结果后处理。

本次全过程模拟包括施工过程中的28个阶段和投入使用的7个阶段。为方便描述，结构施工过程中的第i个阶段简称为CSi，投入使用j年的模拟阶段简称CCSj，图7为不同阶段有限元模型。

6 结 语

（1）结构累计竖向变形与所处施工阶段和结构高度有关，核心筒的累计竖向变形大于巨柱；采用施工压缩预调方法可以有效补偿结构的累计竖向变形，SHM13工况（主体结构基本完工）下核心筒和巨柱的实测变形占施工预调量的比例分别为90.5%，85.5%。

（2）核心筒和巨柱压应力水平相当，压应力的大小随着时间的推移逐渐增大，随着楼层高度的增高而减小；上部结构每施工1层，监测楼层核心筒压应力约增加0.09 MPa，巨柱压应力约增加0.11 MPa。

（3）模拟分析结果与实测数据吻合较好，表明有限元分析计算模型和方法的准确性，也肯定了超高层结构健康监测中结合实测与计算模拟分析方法的

（4）在实测风荷载和地震效应下，结构层间位移角均满足规范要求；以施工工期（10年）为重现期对地震效应和风荷载进行折减并模拟分析，结果表明施工阶段结构的刚度和整体稳定性满足要求。

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