外框斜柱竖向传力交汇点楼层处施工模拟分析

胡 燕，陈 东，曹 靖，田朋飞

(1.安徽建筑大学 土木学院，安徽 合肥 230601;2.安徽富煌钢构股份有限公司,安徽 合肥238076)

随着超高层建筑物地不断涌现，一些新型的结构体系也应运而生，外框架网格核心筒[1]就是一种新型的结构体系。目前越来越多的超高层建筑物采用外框架核心筒结构体系，这一体系具有广阔的发展前景[2]，例如广州电视塔、广州西塔等均采用了此结构体系。

外框架斜交网格体系并没有传统意义上的梁与柱，而是由交叉斜柱替代了梁柱结构，形成一个筒体[3]，从而使结构体系具有较强的侧向刚度和水平承载力。外框架斜柱可把结构所承受的水平承载力以斜向轴力传递给地基，因此避免了二阶弯矩的产生，同时也减小了结构内部应力，使结构受力合理化[4]。深圳市某高层钢结构建筑结构体系采用外框架斜交网格+劲型钢柱+钢管柱+钢梁+核心筒结构。在建筑施工过程中，外框架斜交网格的X节点需与该节点相连接的框架钢梁进行焊接[5]。为了钢梁可以准确定位，应在该节点下方框架梁上设一临时支撑，该支撑承受焊接钢梁传来的竖向荷载，并将该荷载传递到临时支撑所在的框架梁上，使水平梁结构额外受力，需验算施工过程荷载的影响。根据《钢结构设计标准》GB 50017-2017对结构的设计要求，利用Midas软件进行相关的施工模拟分析来判断结构应力和变形是否超过规范所要求的限值，以及是否需要相关的加强措施。

1 工程概况

该工程总占地面积15 781 m2，总建筑面积114 479 m2，首层高16.98 m，标准层高4.2 m，结构标高200.570 m，地上42层，地下3层，屋面包括设备夹层及停机坪。钢结构主要由地下室劲性外框钢骨柱、核心筒箱型钢管混凝土柱、立面钢网格结构、核心筒与钢网格之间连梁组成，部分楼层核心筒内分布有劲性钢连梁。地下室劲性外框钢骨柱共26根，沿8-C轴对称分布。地下2、3层为十字型钢骨柱，地下室1层为箱型钢骨柱，角柱为组合截面钢骨柱。

核心筒箱型钢管组合柱分布在核心筒四角处，共4根，从基础顶向上延伸至屋顶。每4层分布有劲性钢连梁。

立面钢网格沿建筑外四个立面分布，从-1.030 m向上延伸至200.250 m的停机坪。钢网格外形呈大小不同的菱形网格状，立面呈起伏造型。钢网格型材主要截面为箱型，40层以上使用H型钢，通过H型钢梁与核心筒连接。截面形式包含钢交叉网格箱型柱、H型钢柱、箱型钢管组合柱、箱型梁、H型梁、箱型H型组合梁。钢构件主截面板厚为16～100 mm，总用钢量为约19 000 t。

核心筒钢柱分段方案：地上F1层钢柱分为三节，F2至F6钢柱每层一节；F7至屋顶两层一节。钢梁分段方案：超过17.5 m钢梁分为两段(部分超过塔吊吊重分为三段)，分段位置为钢梁两端1/3处，其余原则上不分段。钢结构三维效果图如图1所示。

图1 钢结构三维效果图

钢结构构件类型主要有斜交网格箱型柱、核心筒箱型组合柱、网格H型柱、H型梁，斜交网格箱型柱典型的截面尺寸为口650×650×35×35、口800×650×100×100、口1100×650×90×90，其材质为Q390，分布位置为外框柱。核心筒箱型组合柱的典型截面尺寸有PL30×1100、PL30×1200、PL30×1300、PL30×140，其材质为Q345，分布位置为核心筒柱。网格H型柱的典型截面尺寸有H350×350×14×22、H500×350×13×35、H600×450×18×37、H650×650×50×80，其材质为Q390，分布位置为外框网格柱。H型梁的典型截面尺寸有H450×200×10×150×10×8、H550×200×10×150×10×10、H700×400×14×26、H900×300×20×30、H1050×650×70×80、H1150×550×20×45，其材质为Q345，分布位置为普通楼面钢梁，其他H型梁典型截面尺寸为H1000×650×20×35、H1050×650×70×80、H1150×650×70×80，材质为Q390，分布位置为外围网格柱间钢梁及核心筒四角钢梁。

2 外框斜柱竖向传力交汇点楼层处施工模拟分析

2.1 施工阶段的荷载取值

2.1.1 Midas自重计算

整体结构采用Midas软件进行关键节点的施工阶段仿真分析，荷载工况则根据钢构件类型设置为恒荷载构件自重，考虑混凝土收缩与徐变等工况，恒荷载自重由软件自动计算。

2.1.2 混凝土收缩和徐变

混凝土收缩主要是指混凝土中水泥水化产生的体积收缩，温度降低产生的收缩和干燥失水产生的干缩，这些变形一般不可逆；徐变指的是混凝土在压应力长时间作用下产生的永久变形[7]。一般而言，在施工阶段，由混凝土收缩徐变产生的变形为施工阶段竖向构件主要变形[8]，故要考虑在混凝土收缩徐变作用下，结构内力和变形的计算。

2.2 施工模拟分析

根据整体工程实际施工方案与部署，对本次施工阶段的仿真分析主要考虑结构自重以及施工过程中恒荷载与活荷载组合，鉴于工程施工周期相对较短，较大风荷载与地震作用在施工期间发生的概率较小[9]，因此在此次施工仿真分析中不予考虑。

施工部署总思路遵循先主构件，后次构件即“先起核心筒，后起钢框架”的原则。斜交网格外筒主体结构为异形箱形结构，且外框钢柱为倾斜钢柱，随着楼层的增高，斜交网格钢柱跨越楼层数增加。由于钢结构安装精度要求高，位置、标高及轴线定位难度大，所以在进行斜交网格钢柱、钢梁安装时，如果在施工过程中不增加临时固定支撑，会使钢构件在安装定位时发生移位现象，易造成偏差，增加施工难度。

在安装过程中，斜交钢网格柱倾斜方向用φ159×6圆管支撑进行临时固定，大门厅处斜网格柱采用H300×300×10×15支撑进行临时固定。临时支撑图如图2所示。

图2 临时支撑图

外框架梁传来的荷载可以按照节点恒荷载计算，由于该建筑结构的框架梁截面形式相同，传力情况类似，因此该模拟分析不需在所有层进行。在此对第1到3层密集区域、4到19层中密区域进行施工模拟分析，取第2层、第15层、大门处斜边柱以及大门斜柱竖向传力交汇点楼层处进行施工模拟分析。

此外，在第一层(包括夹层)处由于没有横梁与外框架斜交网格相连，在施工时斜交网格可能产生破坏，因此对该部分也需要进行施工阶段分析，即在标高-1.030～15.950 m处进行各个X网格的施工阶段分析，如图3所示。

(a)首层侧面第一层X网格安装分析应力云图

(b)首层侧面第一层X网格安装分析变形云图

(c)首层侧面第二层X网格安装分析应力云图

(d)首层侧面第二层X网格安装分析变形云图

(e)首层侧面第三层X网格安装分析应力云图

(f)首层侧面第三层X网格安装分析变形云图

(g)首层侧面X网格悬空柱安装分析应力云图

(h)首层侧面X网格悬空柱安装分析变形云图 图3 首层X网格施工模拟图

由图3可知：首层侧面第一层X网格安装阶段模拟分析得出结构应力在中间斜交网格柱底端达到最大值，约为3.52 MPa，位移变形量在中间斜交网格柱顶端达到最大值，约为0.35 mm；第二层X网格安装阶段模拟分析得出结构应力值在中间斜交网格柱连接点处达到最大值，约为3.64 MPa，位移变形量在中间斜交网格柱顶端达到最大值，约为0.55 mm;第三层X网格安装阶段模拟分析得出结构应力在第二层最外侧X网格柱连接点处达到最大值，约为6.96 MPa，位移变形量在第三层第二根钢柱顶端达到最大值，约为0.72 mm；X网格悬空柱安装模拟分析得出结构应力在第二层最外侧X网格柱连接点处达到最大值，约为11.06 MPa，位移变形量在悬空柱顶端达到最大值，约为2.41 mm；首层X网格各阶段仿真分析表明，最大应力值和位移变形量均出现在X网格悬空柱安装阶段。

大门斜边柱及大门斜柱竖向传力交汇点楼层施工模拟如图4所示。

图4 大门斜边柱及大门斜柱竖向传力交汇点楼层施工模拟图

由图4可知：应力值在大门斜边柱中上部达到最大值，约为3.43 MPa；位移变形量在大门斜边柱顶端达到最大值，约为0.51 mm；大门斜柱竖向传力交汇点楼层处施工模拟分析发现应力值在首层外框斜柱顶端达到最大值，约为4.9 MPa；位移变形量在楼板层外框钢梁与次梁交汇点处达到最大值，约为3.62 mm。

外框架斜交网格密集区(2层)施工模拟如图5所示。

图5 外框架斜交网格密集区施工模拟图

由图5可知：在楼板次梁上应力达到最大值，约为16.06 MPa，位移达到最大值，约为4.34 mm。

外框架斜交网格中密区(15层)施工模拟如图6所示。

图6 外框架斜交网格中密区施工模拟图

由图6可知：在外框斜柱顶端应力达到最大值，约为89.95 MPa，位移达到最大值，约为7.74 mm。

3 结论

根据《钢结构设计标准》GB 50017-2017可知，钢结构梁的挠度变形限值为L/400，其中L为梁的跨度，则X网格的变形限值为13.125 mm，两个区域的变形限值分别为：密集区15.75 mm，中密区31.5 mm，斜交网格柱为Q390钢材，其设计强度为350 MPa。

由施工模拟所得到的分析应力云图和分析变形云图结果可知：第一层(包括夹层)的X网格悬空柱安装模拟分析得最大应力为11.06 MPa<350 MPa,最大位移为2.41 mm<13.125 mm，均没有超过规范所要求的限值，所以第一层(包括夹层)处即使没有横梁与外框架斜交网格相连，在施工时斜交网格也不会产生破坏；大门斜边柱以及大门斜柱竖向传力交汇点楼层处施工模拟分析所得最大应力为4.9 MPa<350 MPa,最大位移为3.62 mm；外框架斜交网格密集区域第2层施工模拟分析所得最大应力值为16.06 MPa<350 MPa,最大位移为4.34 mm<15.75 mm；外框架中密区域第15层施工模拟分析所得最大应力值89.95 MPa<350 MPa，最大位移为7.74 mm<31.5 mm。

从以上分析结果可知，结构的应力和变形在两个区域都没有超过相关规范所要求的限值，即在施工过程中增加临时支撑是合理的，并且具有安全性，无须进行相关的加强措施，同时也给同类型建筑在施工过程中增加临时支撑提供了理论依据。