近些年，我国建设超高层建筑的热度持续增高，许多超高层建筑在规划或实施中，超高层建筑设计及建造技术得到不断发展，但依然存在一些问题尚未进行系统研究。

　　 超高层建筑施工过程中的变形问题得到许多学者关注。施工过程中的竖向变形会给超高层建筑带来以下问题。

　　 1) 施工过程中，由于超高层建筑不断增大的自重对下部结构产生压缩变形，累积到一定程度后，可能使结构不能达到设计的位形与标高，容易对后续结构构件连接、安装等产生影响，同时也容易对主体结构以外的建筑装饰等二次施工造成不便。

　　 2) 由于超高层建筑多采用钢材、混凝土及两者组合材料，在结构自重影响下，不同材料构成的结构构件及不同类型的结构构件受其影响产生的竖向变形也不尽相同，由此造成结构不同部分存在的变形差会引起附加内力，对结构受力状态造成不利影响，对一些关键受力构件，这部分影响不能忽视。

　　 3) 超高层建筑施工中，由于上部结构自重不断增大，其对下部结构构件产生的竖向压缩变形使结构构件 (外框柱、剪力墙等) 处于预受力状态，相较于结构构件设计的最终承载力水平，实际施工完成后，结构下部构件承载力将有所减损，尤其对于一些重要部位的构件，这部分承载力的减损情况需予以考虑。

　　 国内外许多学者对超高层施工过程竖向变形问题进行有限元分析及现场监测研究^[1]，多关注于加载模拟方式^[2]、材料特性^[3,4]等因素对其影响，而对施工过程中施工方法的影响研究较少。

　　 本文以青岛海天中心T2塔楼为例，在对其进行施工过程模拟分析的基础上，分析施工期荷载、施工进度与施工安排等因素对结构施工过程竖向变形的影响。

　　 青岛海天中心T2塔楼高369m，地上73层，地下5层，为带伸臂桁架的核心筒-外框架结构。建筑效果如图1a所示。结构核心筒采用钢筋混凝土剪力墙，40层以下为C60混凝土，41～55层为C50混凝土，55层以上为C40混凝土，20层以下核心筒中设内嵌钢板 (Q345) ;外框柱采用钢管混凝土，1～6层为Q420钢与C60混凝土组合，6层以上为Q345钢与C60混凝土组合。

　　 对此结构进行施工过程模拟分析。采用MIDAS/Gen有限元软件建立结构模型，如图1b所示。模型中核心筒建立墙与楼板采用板单元，外框柱与梁采用梁单元。材料考虑混凝土时变特性，选取CEB-FIP (1990) ^[5,6]模型，年平均相对湿度取70%，水泥类型取N, R:0.25，开始计算混凝土收缩徐变时的混凝土龄期取为3d。施工阶段按实际施工进度划分，如表1所示。同时将荷载及边界条件对应分组。结构底部刚接，外框柱与核心筒间连系梁按图纸设计设为铰接或刚接。

　　 基本模型施工过程模拟分析时，考虑结构自重荷载，并考虑2kN/m²施工活荷载。施工模拟分析结果如图2所示。由图2可知，基本模型核心筒的最大竖向位移均值为43.7mm，外框柱最大竖向位移均值为39.7mm。对于外框柱-核心筒竖向变形差，在结构底部，外框柱位移略大于核心筒;随着结构高度增加，核心筒位移增大，外框柱-核心筒竖向变形差在-12～2mm。图2中，1层1步的计算结果为5层1步计算结果的下包络线，5层1步的计算结果可体现出外框柱-核心筒竖向变形差的变化趋势，可用于研究不同因素影响的大小。后续分析考虑到计算效率，仍采用5层1步的划分方式进行计算。同时，考虑结构平面的对称性，选取结构西北角处核心筒与外框柱的竖向变形为代表。

　　 实际工程施工中，施工方根据多种因素综合考虑进行施工方案与施工组织设计，选择施工速度、核心筒领先层数等参数，但并没有将其对竖向变形的影响纳入。这些施工参数的选取会对竖向变形产生一定影响，进而影响结构后续性能。

　　 施工活荷载指施工中临时堆载的材料、器械等，是影响竖向变形的因素。苗吉军等^[7]对比国内外各类文献及规范中对施工活荷载模型及取值的建议，认为从钢筋绑扎阶段到浇筑阶段，活荷载的取值在1.5～3.0kN/m²。

　　 分析施工活荷载对结构竖向变形的影响，分别选取有活荷载模型、无活荷载模型及增大活荷载模型进行计算。有活荷载模型在当前正施工的楼层中考虑均布的施工活荷载 (模拟中取为当前施工步激活楼板所在层) ，取2kN/m²;无活荷载模型即将模型中施工活荷载去除进行计算;增大活荷载的模型为将有活荷载模型中活荷载取值为3kN/m²。考虑收缩徐变作用下，施工活荷载对核心筒竖向位移、外框柱竖向位移、外框柱-核心筒竖向变形差的影响如图3所示。由图3可知，施工活荷载对施工期竖向变形的影响不大。这是由于施工活荷载在总荷载中占比不大，均为弹性变形，且会随着施工进度的推进而被撤除。

　　 目前超高层结构在施工时，为节省工期，往往在主体结构未完工前，立即插入隔墙砌筑、玻璃幕墙安装及精装修等。这些后续施工可被认为是对主体结构进行二次结构的加载，会对结构完工时的竖向变形产生影响。

　　 分析二次荷载对竖向变形的影响时，考虑的二次荷载包括砌块墙体及玻璃幕墙。根据工程实际情况，取砌块墙体重度为6.25kN/m³，砌块墙厚200mm;玻璃幕墙重度为1.5kN/m²。将二次结构等效为线荷载，作用在各层楼板上隔墙及幕墙所处位置。二次结构施加的时间点按工程施工时间计划，隔墙荷载在第6施工阶段 (见表1) 起施加;玻璃幕墙荷载在第9施工阶段起施加。计算时，为保证收缩徐变等时变效应对竖向变形所起的作用相同，将不考虑二次结构荷载模型的施工时间延长至与考虑二次结构荷载的模型相同。

　　 考虑收缩徐变时，二次结构荷载对核心筒、外框柱竖向变形的影响及对外框柱-核心筒竖向变形差的影响如图4所示。由图4可知，二次结构荷载引起外框柱竖向变形最大值增大11.7mm，引起核心筒竖向变形最大值增大13.1mm，引起外框内筒竖向变形差变化2mm。由此可知，二次结构的影响在计算时必须考虑。

　　 施工速度在实际施工中受工期、天气、材料供应等多方面影响，变化较大。表1中每标准施工阶段的持续时间参考该工程实际施工进度安排选取。分析时，将表1中每标准施工阶段的持续时间变长，从35d增加至50d (总工期由570d增加至870d) ，计算考虑收缩徐变时，在施工结束后核心筒、外框柱的竖向位移及外框柱-核心筒竖向变形差如图5所示。由图5可知，施工速度的变化对施工过程框筒竖向变形差的影响不大。

　　 基于超高层建筑的结构特点，施工中采用核心筒领先外框柱的施工方法，扩大了作业面范围，并有利于塔式起重机、模架等系统的支承及工作。施工过程中，核心筒领先外框柱的层数对结构竖向位移的影响主要表现为当核心筒领先层数较多时，外框梁连接时核心筒的竖向压缩已经发生较多，后续可能引起的压缩变形差将较小。

　　 在原模型基础上，研究核心筒领先施工层数对竖向变形的影响。初始模型分析时按现场进度计划安排，核心筒领先外框柱5层。在此基础上改变模型参数，分别计算核心筒不领先外框柱施工、领先10层、领先15层时施工过程竖向位移的大小，进行对比分析。各模型中各施工步所含结构构件如表2所示。为便于对比，认为核心筒中钢骨与墙体同时施工，水平构件与外框柱同时施工。

　　 考虑收缩徐变时，核心筒领先施工层数对外框柱、核心筒竖向位移与外框柱-核心筒竖向变形差的影响如图6所示。图6中给出的是不同领先层数模型计算所得的竖向位移值与原模型 (M-P₅) 竖向位移值之差。由图6可知，领先层数增加时，外框柱位移减小，核心筒位移增大。这是由于当领先层数增加时，相当于核心筒已经施工一段时间后才开始外框柱施工。外框柱施工时，核心筒位移已经发生，但后续又需要继续承担外框柱引起的位移，因此核心筒竖向位移增大。而外框柱位移可由已施工的核心筒承担一部分，故其竖向位移减小。

　　 而对于外框柱-核心筒竖向变形差，由于其在低层为正，高层为负，故核心筒领先层数的增多对其影响随高度变化亦不同。在较低楼层处，核心筒领先层数增加，外框柱-核心筒竖向变形差绝对值减小;在较高楼层处，核心筒领先层数增加，外框柱-核心筒竖向变形差绝对值增大。

　　 实际施工中，核心筒领先施工有利于工作面的扩大和充分利用。可结合现场施工机械的布置情况合理选择核心筒领先施工层数。

　　 目前许多超高层结构施工中，为减小外框柱与核心筒的变形差对伸臂桁架的影响，采用在主体施工结束后，再将伸臂桁架连接的施工方案。这种方案可使外框柱与核心筒的竖向变形相对独立地发展一段时间后，再将两者相连，可减小外框柱-核心筒变形差引起的伸臂桁架内的附加应力。然而，此种施工方法降低了施工过程中结构受力整体性，削弱了结构抗侧力体系，不利于结构在施工期间抵抗可能发生的强风或强烈地震作用。同时，伸臂桁架后连接会直接影响后续楼板铺装、二次结构砌筑及装修等，影响工期，增加成本。

　　 原模型分析中，均假设伸臂桁架随着施工的进行同步进行安装。如27～28层为伸臂桁架层，此层的伸臂桁架与的普通水平构件 (框架梁、楼板等) 同步施工。

　　 以上述模型为例，分别计算伸臂桁架同步安装 (记为M-OT_simu) 及伸臂桁架最后安装 (记为M-OT_after) 2种工况下结构位移与内力。伸臂桁架同时安装和伸臂桁架最后安装情况下，外框柱与核心筒的位移及2种工况下施工结束后外框柱-核心筒竖向变形差如图7所示。可以看出，对于此模型，伸臂桁架安装时间对外框柱与核心筒竖向位移及外框柱-核心筒竖向位移差的影响均不大。这是由于在原施工方案下，外框柱-核心筒竖向位移差本身绝对值较小，伸臂桁架对位移起到的协同作用有限。此处外框柱-核心筒竖向变形差是指同一楼层位置处。

　　 在伸臂桁架同步安装和伸臂桁架最后安装2种不同工况下，主体结构施工完成时伸臂桁架内初始弯矩分布如图8所示 (27～28层北侧伸臂桁架) 。2种工况下，应力最大的1榀伸臂桁架内的应力分布如图9所示:对于伸臂桁架同步安装工况，49～50层南侧第2榀最大;对于伸臂桁架最后安装工况，68～70层北侧应力最大。图中数值为在轴力、弯矩等内力综合作用下各截面最大应力点的应力值。

　　 由图9可看出，当伸臂桁架同步安装时，其在后续施工过程中即作为结构的一部分参与受力，相当于提升了结构内筒与外框的整体性，但伸臂桁架在施工完成后即存在较大的初始内力，最大应力可达68MPa，对于伸臂桁架后续受力非常不利;而伸臂桁架最后安装可大大减小伸臂桁架内初始内力，有利于后续伸臂桁架参与结构受力。

　　 本文以青岛海天中心T2塔楼为例，在对其进行施工过程模拟的基础上，分析施工方法对施工过程结构竖向变形的影响，得出以下结论。

　　 1) 超高层建筑施工方法的选择对其施工过程竖向变形有一定影响，与竖向变形相关的参数包括施工荷载、施工速度、核心筒领先施工层数、伸臂桁架安装时间等。

　　 2) 施工活荷载对施工过程结构竖向变形影响很小，几乎可以忽略，计算时可不考虑;而二次结构荷载在总荷载中占比较大，对完工后结构的竖向变形影响较大，计算时必须考虑。

　　 3) 施工速度对施工过程结构的竖向变形影响较小，计算时可不考虑。

　　 4) 核心筒领先施工层数不同时，结构施工过程的竖向变形亦不同。在较低楼层处，核心筒领先层数增加，外框柱-核心筒竖向变形差绝对值减小;在较高楼层处，核心筒领先层数增加，外框柱-核心筒竖向变形差绝对值增大。实际施工中应结合现场施工机械的布置情况合理选择核心筒领先施工层数。

　　 5) 伸臂桁架安装时间的选择对竖向变形影响较小，但对伸臂桁架本身在主体结构施工完成后的初始内力影响很大，应结合伸臂桁架的设计内力水平谨慎选择安装时间。