混凝土框架—核心筒超高层混合结构竖向变形研究

张然

（中铁十八局集团有限公司第四工程公司 天津 300350）

1 引言

现代高层建筑起源于美国，随着技术进步和经济发展，城市人口的快速积聚增加，超高层建筑不断涌现，逐渐成为了现代城市中的地标，改变着现代城市的经济体系和景观。近代以来，高层混合结构在我国发展很快。混合结构与钢结构相比，抗侧移能力增强，且经济性更好，节省用钢量；我国近年来建造的高层及超高层建筑多为混合结构体系。超高层混合结构建筑在国内发展迅速，所占比例逐渐上升，加强对超高层混合结构的研究促进其健康发展显得尤为重要。

2 工程概况

新时代中心坐落于浙江省嵊州市城南新区内，在官河南路与环南路口西南角。塔楼共56 层，主体结构高196 m。建筑占地面积和总建筑面积分别高达为18932m2和120 000m2。塔楼外观从下向上呈美观大气的流线型曲线，截面尺寸从第1 层的56m×56m 慢慢缩小到56 层为46m×46m，核心筒为30m×30m的正方形，这样的设计大大增加了建筑的防风特性。

核心筒使用了钢筋混凝土剪力墙的形式。其优点是刚度大，抗侧移能力强。剪力墙内部暗柱按需要采用钢柱，底部剪力墙采用组合钢板以提高其抗压能力及抗剪能力。核心筒的截面形状在顶部略有改变，尺寸基本保持不变，但墙体厚度逐渐减小。在超高层塔楼结构中，采用四道钢外伸臂巨型结构连接核心筒和外框架，通过带状钢桁架和巨型斜撑将外框架连接起来，使其成为一个整体。

3 工程测量变形监控方案

新时代中心塔楼最高处高达214.4m，为超高层建筑。施工工期长，上部荷载大，混凝土产生较大的弹性、徐变和压缩变形，内外筒累积竖向变形及变形差较大，直接影响建筑的总体高程、层高、楼面平整度、伸臂桁架受力，从而影响机电、幕墙及装修的施工，以及塔楼施工、使用阶段的安全性。因此建立稳定可靠的测量控制网以确保竖向变形及变形差处于可控范围是施工安全的基础。新时代中心塔楼竖向变形的监测方法采用的是光纤光栅传感器，通过读取传感器波长数据从而获得结构的应变值。基本原理为当光栅周围的物理参数发生改变时，光纤芯部折射率发生改变，使得光栅信号波长改变，通过读取波长代入不同的公式即可计算出应变、温度等的变化情况。新时代中心塔楼核心筒应变监测点布置在4个角上，从第6 层开始每隔5 层进行测点布控，并在每个监测楼层设置温度传感器对温度应变进行补偿。20 层监测点布置如图1 所示。

图1 20 层核心筒及外框架巨柱监测点布置图（单位：mm）

根据下式计算出楼层的竖向变形值：

式中：Δh为监测楼层单层竖向变形值；ε为通过该楼层多个传感器计算出的构件应变平均值；h为监测楼层的层高。

对于没有设置监测点的楼层，可认为邻近几层的刚度相同，根据监测楼层数据和层高采取线性插值法计算未监测楼层的应变值。由于该监测计算方法无法考忘施工过程的施工补偿问题，因此根据该测量结果计算出的竖向变形为累积竖向变形。

4 超高层建筑竖向变形影响因素分析

4.1 结构竖向变形计算值结果分析

通过超高层建筑竖向变形分析系统对新时代中心剪力墙核心筒及钢骨混凝土框架进行了竖向变形分析，模拟考量了在不同使用阶段（竣工后10年、20年、50年）的竖向变形情况，为超高层建筑使用阶段的结构可靠性提供评估依据。核心筒和外框架巨柱竖向变形计算分析的结果如图2所示，在考虑了施工找平后，竖向变形曲线中间大、两端小。

图2 结构竣工后单层竖向变形实测

对核心筒剪力墙和外框架巨柱的变形发展有着相似的规律，变形增长速率随着竣工时间的增加而减小。竣工后10年内变形发展速率较快，且上部楼层的竖向变形发展速率最大。

工程竣工时徐变收缩占比43%～52%，第5年时达到49%～69%，第50年时收缩徐变达到峰值，是弹性压缩的3倍，随着时间线的延长，收缩徐变占比不断增长，增长速度趋缓。由于徐变收缩最常发生在竖向变形中，所以在分析超高层建筑竖向变形问题时必须要充分论证分析徐变收缩问题。

4.2 楼层竖向变形实测结果

由于理论测量方法的计算原理只能得出每层结构的压缩值，而不能考虑施工补偿对结构竖向变形的影响，因此实测值曲线是忽略施工补偿的累积竖向变形。新时代中心结构封顶后单层结构竖向变形和累计竖向变形实测结果分别如图2 所示。随着楼层增加，塔楼各楼层的单层变形量较均匀地减小，累积变形逐渐增加，内外结构的变形差异也在逐渐加大。在该测量工况中，核心筒和柱累积变形分别为173.981mm 和142.160mm；L56 层相对竖向变形最大，其实测相对竖向变形为31.674mm。

4.3 软件计算值与工程实测结果的对比分析

本节选取工程结构封顶时刻的竖向变形实测值与计算值进行对比分析，结果见图3。由图3可知，结构累积变形和单层变形在计算和实测结果方面的变化规律极为相近。楼层越高结构累积变形则越大，单层变形数值不断降低。对于同一楼层，核心筒累积变形大于巨柱；结构累积变形增量随着楼层的增加而减小，在结构高度较低时，其累积变形增加较快。

图3 结构累计竖向变形实测值与计算值对比

4.4 核心筒领先外框架施工层数对竖向变形差影响

以一个30 层建筑物为例对结构竖向变形差与单层施工天数的关系进行分析，荷载信息见表1。

表1 建筑物标准层基本信息

分别对核心筒超前施工为0、3、6 层的内外结构竖向变形差异计算。结果见图4。当核心筒和外框架同步施工时，竖向变形差最小，核心筒比外框架提前施工的层数越多，建筑内外结构竖向变形差异越大。

图4 核心筒施工不同领先层数下的竖向变形差异

5 结论

本文对新时代中心的结构体系、施工组织方案和竖向变形监控方案进行了简要介绍，并利用超高层建筑竖向变形分析系统对新时代塔楼的竖向变形进行了模拟计算，主要得出了以下结论：超高层建筑中核心筒和外框架巨柱的竖向变形发展有着相似的规律，其增长速率随着竣工时间的增加而减小。建筑竣工10年内的变形发展速率较快，且上部楼层的竖向变形发展速率比下部楼层大。核心筒的荷载小于外框架，但外框架巨柱中型钢含量大，整体竖向变形小于核心筒。