某超高层项目施工模拟分析

陈旭淼，苏恒强，吴桂广

（广东省建筑设计研究院有限公司 广州510010）

0 前言

结构体系在施工过程是一个材料及受力不断变化的过程，包括材料强度、结构刚度以及荷载条件均为动态的过程。一般超高层核心筒剪力墙构件先于其余构件施工，但结构整体设计方法是针对使用阶段的结构进行一次性加载或简单的施工模拟，仅考虑结构竖向构件的弹性变形，建筑正常使用阶段在不同工况和荷载组合下构件内力和变形进行分析。因此并未考虑施工过程中塔吊荷载、爬模荷载、混凝土强度时效性等施工因素的影响［1-2］。

爬模施工为超高层核心筒剪力墙常使用的工法，由于核心筒内水平梁板构件滞后施工，核心筒剪力墙计算高度与施工图设计假定不一致，根据安全生产要求，需对核心筒超前施工部分的局部薄弱剪力墙稳定性及整体稳定性进行复核［3］。针对上述问题，对核心筒施工过程开展模拟仿真分析，可得到以下成果［4-5］：

⑴施工过程中核心筒剪力墙整体受力变化。

⑵施工过程中核心筒单片剪力墙局部及整体稳定性。

⑶复核施工荷载对核心筒变形、轴压比及核心筒施工图实配钢筋的要求［6-7］。

1 工程概况

1.1 基本条件

某项目总建筑面积约为20万m2，地上建筑面积约为17万m2。项目建筑高度346 m，地上75层，地下3层。安全等级为一级、次要构件为二级，设计使用年限为50年，抗震设防类别为乙类，建筑抗震设防烈度为7度。

结构形式采用结构类型为复合外围框架（钢管混凝土柱+钢梁）+带状桁架+钢筋混凝土核心筒组成的框架-核心筒结构。塔楼平面为三角形布置，在3个端部共设有6根巨柱。在沿塔楼高度的3处机电层增加带状桁架和伸臂桁架以提升塔楼刚度。

本项目特点为31层以下核心筒为双筒结构，32层以上为单筒结构，如图1所示。现场爬模布置在核心筒顶部，重达665 t，采用1台内爬塔吊附着在核心筒，内爬塔吊由两道支撑钢梁承受塔吊荷载，下部钢梁主要承受竖向荷载，上部钢梁主要承受水平荷载。核心筒内壁截面沿竖向逐步收小，按实际设计剪力墙后进行施工模拟分析。

图1 双核心筒结构平面Fig.1 Double Core Wall Plan

根据施工组织要求，核心筒超前施工于核心筒内梁板及核心筒外钢梁施工，核心筒外部楼板落后于钢梁5层施工，如图2所示。需验算的最大核心筒超前施工层数具体为：

图2 核心筒超前施工示意图Fig.2 Diagram of Advanced Construction for Core Tube

⑴31层以下：核心筒超前筒内梁板及核心筒外部钢梁15层。

⑵32层以上：核心筒超前筒内梁板及核心筒外部钢梁12层。

1.2 混凝土时效性

考虑混凝土施工时效性，根据欧洲混凝土规范《CEB-FIPModel Code 1990》［8］采用的数字表达式为：

式中：fc（t）为t时刻的混凝土抗压强度；fc为28 d龄期的混凝土抗压强度；βt为混凝土强度随时间的发展规律；S为取决于水泥种类的系数，混凝土龄期t日时的抗压强度计算公式的系数S，取决于水泥种类，对于普通水泥取0.25，混凝土强度系数与时间的关系如表1所示。

根据施工现场试件提供的数值，混凝土强度系数与时间的关系如表1所示。

表1 混凝土时效性理论和实测值Tab.1 Theoretical and Practical Value of Strength Responses of Concrete

施工模拟分析混凝土强度按理论值与项目实测值进行包络，取施工现场提供的强度进行核算。

根据设计施工图，31层以下的双核心筒混凝土按最终强度为C60验算，32层以上的单核心筒混凝土强度按C50进行验算，混凝土强度模拟取值如表2所示。

表2 混凝土强度模拟取值Tab.2 Simulation Value of Concrete Strength

1.3 工况选取

由于上下两段核心筒超前层数不同，以31层作为分界，31层以下和32层以上分别选取3个较不利工况进行分析，较不利施工工况分析模型设置如下：

⑴31层及以下的施工工况分析模型包括1～26层分析模型（简称工况1），1～28层分析模型（简称工况2）和1～30层分析模型（简称工况3），如图3⒜所示。

⑵32层以上的施工工况分析模型包括1～69层分析模型（简称工况4），1～71层分析模型（简称工况5）和1～73层分析模型（简称工况6），如图3⒝所示。

图3 施工工况示意图Fig.3 Diagram of Case Analysis

1.4 荷载条件

⑴由于核心筒爬模施工，仅超前施工剪力墙及连梁，因此超前筒体不考虑其内部楼板的水平支撑作用。由于核心筒外部楼板落后拉结钢梁5层，且不考虑落后的5层楼板支撑作用，如表3所示。

表3 基本组合工况Tab.3 Case Analysis of Basic Combination

⑵施工模拟仅考虑风荷载水平作用，不考虑水平地震作用。基本风压、风振系数、体型系数、风压高度变化系数根据《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》及原设计资料取值，其中结构粗糙度取B，体型系数取1.4，风压按10年重现期基本风压0.25 kN/m2。

⑶核心筒爬模施工层按增加一层计算风荷载及自重，荷载按结构层方式输入，强度设为C5，层高按5.0 m考虑。

⑷考虑施工人员荷载及主要堆载重量，取不利工况5 kN/m2的施工荷载计算。

⑸考虑665 t爬模加载于核心筒顶面，荷载取16.25 kN/m2复核。施工阶段核心筒筒体内部超前部分不施工普通梁板，只考虑剪力墙及连梁受力，爬模示意如图4所示。

图4 爬模平面布置Fig.4 Floorplan of Climbing Shuttering Method

⑹根据爬模方案提供的数据，内爬框2层承重钢梁层差为4层，下层基座荷载每个支点的竖向力为1 810 kN，水平力为317 kN，共4个支点；上层只考虑水平荷载作用，每个支点水平力为563 kN，共4个支点。

⑺变形计算采用标准组合。

⑻构件承载力计算采用荷载效应基本组合设计值，复核过程采用原设计条件，恒、活荷载分项系数分别取1.2、1.4，组合如表3所示。

2 墙体计算长度

采用SAP2000的屈曲分析功能计算，在结构整体模型中考虑剪力墙的弹性约束，得到真实的约束条件。通过穿层墙的顶部或中部施加竖向单位力，进行屈曲分析后得到剪力墙的屈曲模态以及屈曲荷载系数，即可求得单位力以下高度墙肢的屈曲临界荷载，再通过欧拉公式得到单位力以下高度墙肢的计算长度Le［8-9］。

分别验算单位均布力和单位集中力对剪力墙计算长度的影响，剪力墙计算长度取较大值验算单片墙的稳定性和承载力，如图5所示。

图5 单位力加载示意图Fig.5 Diagram of Unit Force Loading

2.1 局部稳定性计算

选取1～73层模型（工况6）作为分析对象，根据屈曲结果发现墙肢的空间效应较为明显，因此选取整段墙肢验算计算长度，单片剪力墙平面定位如图6所示。取右侧较不利墙肢进行屈曲分析，同时由于该墙肢的连梁长度较短，62～73层屈曲模态如图7所示。

图6 单片剪力墙平面定位（工况6）Fig.6 Floorplan of the Shell wall Position for Case Analysis 6

图7 62～73层屈曲模态Fig.7 Buckling Mode of 62～73 Floor

从均布力和集中力的剪力墙计算长度结果可得，采用均布力比集中力的计算长度小，原因是采用均布力时，周边的剪力墙对验算的墙肢约束更强，故采用集中力进行验算。

进行剪力墙承载力计算时，当计算长度大于10 m时，取最大值16 m，当计算长度小于10 m时，取10 m，如图8所示。

图8 62～73层计算长度结果Fig.8 Effective Length of 62～73 Floor

2.2 整体稳定性计算

对整体稳定性进行验算，如图9所示。从结构整体刚重比和屈曲因子结果（见表4）可知，结构的整体稳定性满足文献［10］要求。

表4 1～73层剪力墙面外屈曲模态Tab.4 Result of Buckling Modeling for 1～73 Floor

图9 1～30层及1～72层剪力墙面外模型屈曲模态Fig.9 Shell Wall Buckling Modeling for 1～30 Floor and 1～72 Floor

3 计算结果

3.1 风位移角结果

从表5可得，风荷载作用下层间位移角结果均满足文献［10］要求，最大为工况6，结果为1/1 243，位移角如图10所示。

表5 工况1～6风位移角计算结果Tab.5 Drift Ratio Result of Case Analysis 1～6

图10 风荷载作用下工况6位移角Fig.10 Drift Ratio Graph of Case Analysis 6

3.2 轴压比结果

从工况1～6的轴压比结果可得，施工阶段考虑混凝土时效性，轴压比均小于0.25，均满足设计及施工要求。

3.3 配筋结果

⑴从工况1～6的配筋结果可得，除个别构件以外，核心筒超前施工各层的构件计算配筋均远小于施工图配筋，构件承载力和单片剪力墙的稳定性满足文献［10］要求。

⑵经复核，46层以上连梁截面300 mm×1 200 mm及400 mm×850 mm承受塔吊底座钢梁较大的竖向荷载作用，轴压比超限，施工阶段需对该连梁加大截面或内置钢骨处理。

4 结论与建议

根据施工仿真模拟分析结果，对施工组织要求的施工进度的超前计划，经复核该施工方案可行。但部分构件承受过大的施工荷载，抗剪截面不足，需通过加大连梁截面或内置型钢进行加强。

根据屈曲模态结果，选取不利墙肢加载单位力，得到墙肢的真实计算长度。对结构稳定性进行验算，结构刚重比最小值及第一平动屈曲模态特征值λ均大于规范值，结构整体稳定性满足要求。

复核工况1～6号模型考虑风荷载水平作用对施工过程的影响，其中最大位移角为1/1 243，满足文献［10］要求；对核心筒轴压比、配筋结果进行复核，均满足文献［10］要求。

通过对超高层项目的核心筒超前施工的全过程进行仿真分析，以及结算结果对比，对施工整体安全性作出全面的评估，并找出施工过程中的薄弱环节，为安全施工提出建议，也为同类型项目的施工分析方法提供借鉴［11］。