混凝土核心筒-转换钢桁架高层悬挑结构是一种复杂的受力体系, 为保证施工质量和结构安全, 且使竣工后结构的几何变形及受力状态与设计相符, 施工前应进行施工模拟, 施工过程中应实施跟踪监测^[1]。

目前国内外不少学者都对施工模拟以及施工监测进行了研究:毛诗洋等^[2]在考虑混凝土材料收缩徐变和基础沉降的影响后, 对某超高层钢管混凝土 (CFST) 框筒结构的竖向变形差异、构件内力等进行了模拟分析。袁昶等^[3]通过监测某高层单边悬挑结构桁架端部节点的应力变化, 以保证施工安全。尤松等^[4]以上海市来福士广场为例, 对悬挑钢结构的安装和卸载进行有限元模拟, 揭示了施工过程结构的内力变化和变形过程。李秋胜等^[5]针对超高层建筑在传统模拟过程中未考虑施工过程和时变荷载效应的问题, 以深圳平安金融中心为例, 研究了考虑收缩徐变作用下核心筒和巨柱的竖向累计变形规律及其变形差异。韩杰等^[6]通过对某悬挑钢结构卸载进行全过程施工监控, 以掌握结构真实受力状态。Cruz等^[7,8]通过建立“逐步”模型来模拟杆件材性与截面的改变, 在考虑几何非线性与材料非线性基础上对基于时间的施工过程进行较全面的模拟分析。从以上文献可知, 多数施工模拟中并未同时考虑逐层施工以及混凝土收缩徐变等时变因素的影响, 精细化的施工模拟还有待进一步研究。

本文以珠海横琴保利国际广场二期工程为例, 对其进行考虑时变因素的施工模拟, 通过对比监测数据, 以确保其结构安全。

珠海横琴保利国际广场位于港澳大道与中环岛路交汇处, 为大型复杂悬挑高层结构, 其主体结构采用了混凝土核心筒 (钢板剪力墙) -转换悬挑钢桁架体系, 总建筑面积约23.210 1万m², 建筑高度约为100m。主楼4个角部分布有“日”字形的电梯井, 剪力墙分布在电梯间位置, 3层以上结构向外悬挑11.6m, 局部悬挑14.65m。每个方向各分布10榀悬臂桁架, 分别向外悬挑8.4m, 桁架间通过次桁架组成几何不变体系, 如图1所示。

1) 本工程3F~4F桁架层为悬挑转换结构, 受力复杂、受荷载巨大且杆件众多。

2) 施工过程中混凝土收缩徐变等因素会对钢结构安装造成一定的影响。

3) 临时支撑卸载前后结构体系的传力途径会发生较大变化, 结构内力变形较大。

采用有限元分析软件MIDAS/Gen, 建立珠海横琴保利国际广场有限元模型, 如图2所示。

本高层结构模型中梁柱均用梁单元表示, 楼板用板单元表示, 剪力墙用墙单元表示。施工模拟荷载主要包括结构自重、施工活荷载 (1.5k N/m²) 及装修荷载 (1.5k N/m²) 。对于主体结构, 核心筒和框架柱混凝土分别采用了C60 (1F~5F) , C50 (6F~10F) , C45 (11F~15F) 和C40 (16F以上) , 梁板除3F~4F桁架层采用C35, 其余均采用C30。钢材统一采用Q345B, 弹性模量为2.06×10⁵N/mm², 泊松比为0.3。

1) 时间依存材料的徐变及收缩特性对整个结构中所使用的混凝土材料考虑收缩徐变效应, 根据文献[9-10]以及结合施工现场情况, 采用70%的相对湿度模拟混凝土的养护环境;水泥采用普通硅酸盐水泥;考虑到实际的施工状况以及混凝土性能, 取混凝土开始收缩的材料龄期为3d^[9,10]。

2) 时间依存材料的抗压强度发展曲线如图3所示, 采用拟合效果较好的欧洲CEB-FIP规范的强度发展曲线^[9,10], 其强度发展曲线方程为:

式中:f_ck+Δf为混凝土28d平均抗压强度;s为水泥种类系数, 普通硅酸盐水泥取0.25;t_eq为混凝土龄期。

3) 施工阶段划分为了充分考虑混凝土材料的时变特性, 将施工工序细分至每一层, 模拟结构的逐层累积施工, 即:从塔楼1~19层及屋顶层, 如表1所示。这样可以设定每一层的施工持续时间以及混凝土材料的激活强度, 以便考虑混凝土材料的时变特性。

4) 施工阶段分析控制数据的设定分析采用累积模型, 即下一阶段模型在上一个阶段模型受力与变形基础上。

由于本结构的复杂性, 对桁架层的结构变形及关键杆件的应力进行了重点监测。在有限元模型中, 着重选取了部分关键测点进行对比分析, 如图4所示, 主要包括桁架悬挑部分的下弦杆跨中与端部变形 (D1~D4) 、下弦和腹杆构件 (其中XX表示下弦, XF表示腹杆) 的应力等。

通过施工模拟分析, 可以得到各个变形测点随施工阶段推进产生的竖向变形值, 由于监测开始于施工阶段1, 初始读数为0, 因此后续监测与模拟结果都是施工阶段1的相对值, 而非绝对变形。图5反映了测点竖向变形值与对应施工阶段的关系;此外为了更好地分析混凝土收缩徐变对3层变形的影响, 特取测点D1和D2进行分析, 绘制该测点的变形组成, 如图6所示。

1) 由图5 4个测点曲线可知, 竖向变形的模拟值与实测值的变化趋势基本一致, 最终模拟值与实测值的误差在10%以内, 说明考虑混凝土收缩徐变影响的施工模拟分析结果比较符合实际的施工情况, 能较好地模拟施工过程中结构变形的变化情况。3层的变形测点中, 实测值最大为-29mm, 最小为-6mm;模拟值最大为-37.9mm, 最小为-8.1mm。

2) 图6是测点D1和D2的变形组成, 其数值为考虑混凝土收缩徐变施工模拟分析得到的绝对值, 而非上述相对值。由图6可知, 混凝土收缩引起的变形较小, 基本可以忽略;但混凝土徐变引起的变形在荷载作用下随着时间的推移会越来越大, 其作用不可忽略, 约占总变形的10%。

通过施工模拟分析, 可以得到各个桁架层杆件应力测点随着施工阶段推进的变化值, 与变形测点分析方法相同, 应力结果也是相对于施工阶段1的相对值, 如图7所示;此外为了更好地分析混凝土收缩徐变对桁架层杆件应力的影响, 选取测点XX-1和XX-2进行分析, 绘制该测点的应力组成 (见图8) 。

1) 从图7可知, 3个关键测点的应力模拟值与实测值的变化趋势基本一致, 最终模拟值与最终实测值的误差15%, 同样表明考虑混凝土收缩徐变影响的模拟分析结果比较符合实际施工情况, 能较好地模拟施工过程中杆件应力的变化。

2) 图8是测点XX-1和XX-2的应力组成。其中XX-1和XX-2均为桁架层悬挑段的下弦杆件应力测点。由图8可知, 对于桁架层中由混凝土收缩徐变引起的杆件应力占总应力的30%~40%。若在施工模拟中不考虑混凝土收缩徐变效应, 则施工模拟所得的应力结果误差较大, 大大高估了施工过程中杆件的承载力。因此对于杆件应力, 特别是高层建筑结构, 进行施工模拟分析时应考虑混凝土的收缩徐变效应。

1) 无论是结构变形还是杆件应力, 施工模拟值与实测值随施工阶段的发展趋势均基本一致, 且都在规范允许范围内, 说明本施工模拟及监测结果合理可行, 并对工程施工具有指导意义。

2) 在桁架层结构变形方面, 混凝土收缩徐变引起的变形占总变形的10%~15%, 在桁架层杆件应力方面, 混凝土收缩徐变引起的应力占总应力的30%~40%。表明在施工模拟中, 尤其是复杂高层结构中, 忽略混凝土收缩徐变效应会导致结构偏于不安全, 因此, 建议在进行施工模拟分析时, 考虑混凝土收缩徐变的影响。