基于MIDAS的超高层巨型环桁架及伸臂桁架施工受力分析*

唐永军

(北京建工四建工程建设有限公司，北京 100075)

0 引言

在超高层建筑施工过程中，结构体系需长时间承受变化荷载，导致荷载、边界条件及材料等呈时变特性，结构变形问题在整个施工过程中越来越多，众多超高层建筑在重要结构层发生长大变化的部位均设有巨型环桁架及伸臂桁架。众多学者对超高层建筑施工过程中环桁架[1-3]和伸臂桁架[4-9]的受力分析进行研究。

由于结构平面布置不均匀、混凝土材料收缩和徐变可能产生较大竖向变形和变形差，对结构安全性产生较大影响。本工程在个别楼层设置巨型环桁架及伸臂桁架，核心筒及外框在施工过程中的竖向变形差可能造成不利影响。因此，施工阶段应考虑收缩徐变的施工模拟计算分析巨型环桁架及伸臂桁架，针对变形情况采取相应措施。本文通过MIDAS分析巨型环桁架及伸臂桁架应力和竖向变形情况，及各向应力和竖向变形随施工步增加逐渐加大的变化规律，为施工预调值设置提供依据。

1 工程概况

海口双子塔南塔项目用地面积34 293m2，总建筑面积387 669m2。场地内拟建1栋超高层办公楼和商业裙房：中部超高层为5A级办公楼，屋面总高度428m，共94层，顶部区域设高空观景平台及高档餐厅；商业裙房4层，高22m，包括宴会厅、餐厅及商铺；地下室共4层，用于商业、车库、机电用房、人防、辅助用房等。

本工程在16，32，50，66，72，88层分别设置环桁架，其中50，66层为巨型环桁架及巨型伸臂桁架，如图1所示。为分析核心筒与外框架间的变形差对不同层环桁架及伸臂桁架的影响，与各层钢桁架受力及变形情况，采用MIDAS建立整体模型并进行分析，施工过程中每层为1个施工步。

图1 环桁架及伸臂桁架计算模型

2 数值模拟

在此次施工数值模拟中，每层施工过程根据不同结构形式形成刚度，进一步反映各层施工过程结构变化特点，并用迭代方法考虑施工过程，与实际施工过程较符合。

2.1 施工数值模拟步骤

利用MIDAS/GEN对超高层建筑施工过程进行模拟分析，步骤如下。

1)建立施工有限元分析模型，逐步施加荷载及设置与实际情况相符的边界条件。

2)根据施工方案建立结构组，将同时施工的构件指定为1个结构组，同时根据施工步建立荷载组及边界组。

3)指定收缩徐变系数和混凝土强度发展函数，并连接到相应构件。

4)根据施工方案，定义施工阶段分析数据，包括施工步长及相应结构组、荷载组和边界组。

5)进行荷载组合，对施工过程按施工方案进行数值模拟分析。

6)随时关注涉及的环桁架和伸臂桁架受力与变形情况，并进行分析整理。

2.2 施工阶段划分

本次采用核心筒超前施工6层的方式进行计算。由于本工程在50,66层设置巨型伸臂桁架及巨型环桁架，在16,32,72,88层设置环桁架，94层及以上设置塔冠，故对30,40,60,80层以及顶层施工时各环桁架的应力与竖向变形进行计算分析。

2.3 施工荷载

1)结构自重 混凝土和钢材密度分别为2 540，7 850kg/m3，软件根据材料密度和构件几何信息自动计算结构自重。

2)收缩徐变 混凝土收缩徐变参数采用JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的公式进行计算，湿度取70%，并假定混凝土开始收缩时的龄期为3d，其中C60混凝土收缩应变如图2所示，徐变系数如图3所示。

图2 收缩应变

图3 徐变系数

混凝土强度发展规律采用CEB-FIP Model Code规范中的公式进行计算，其中C60混凝土收缩应变如图4所示。

图4 C60混凝土收缩应变

3 巨形环桁架及伸臂桁架受力分析

3.1 16层环桁架的应力及变形

由16层环桁架的应力图和变形图可知，随着施工进程越来越高，16层环桁架所受到的最大应力从19.4MPa逐步增大到46.5MPa，应力增幅约139.69%；沿重力方向最大变形从5.1mm逐步增大到约21.5mm，变形增幅约321.57%(见图5)。

图5 16层环桁架变形

3.2 32层环桁架应力及变形

由32层环桁架应力图和变形图可知，32层环桁架所受到的最大应力从24.2MPa逐步增大到46.5MPa，应力增幅约92.15%；沿重力方向最大变形从7.08mm逐步增大到21.5mm左右，变形增幅约203.67%。

3.3 48层环桁架及伸臂桁架应力及变形

由48层环桁架及伸臂桁架应力图与变形图可知，48层环桁架及伸臂桁架所受到的最大应力从56.7MPa逐步增大到75.2MPa，应力增幅约32.63%；沿重力方向最大变形从20.1mm逐步增大到30.8mm左右，变形增幅约53.23%。

3.4 64层伸臂桁架及环桁架应力及变形

由64层伸臂桁架及环桁架应力图与变形图可知，64层环桁架及伸臂桁架所受到的最大应力从15.7MPa逐步增大到34.4MPa，应力增幅约119.11%；沿重力方向最大变形从19.45mm逐步增大到30.1mm左右，变形增幅约54.76%。

3.5 72层环桁架应力及变形情况

由72层环桁架应力图及变形图可知，72层环桁架所受到的应力从12.9MPa逐步增大到31.1MPa，应力增幅约141.09%；沿重力方向最大变形从15.4mm逐步增大到18.9mm左右，变形增幅约22.73%。

3.5 88层环桁架应力及变形

由88层环桁架应力图及变形图可知，88层环桁架最大应力为32.1MPa，竖直方向最大竖向变形为18.9mm。

4 结语

在整体施工过程中，对环桁架和伸臂桁架进行受力分析是非常重要的。由以上结果可以看出，施工过程中，环桁架和伸臂桁架受到的应力随着建筑升高逐渐加大，且环桁架和伸臂桁架均小于允许值。由此可知，施工过程中的各伸臂桁架及环桁架受力能够得到保证。