随着城市建设的发展,人们对建筑功能的要求也越来越高,建筑结构往往会出现底部大空间、错层等复杂形式,其结构高度增加而刚度相对减弱,由此使得超高层建筑施工期的整体结构稳定性引起了人们的关注和重视。尤其是核心筒+巨型框架支撑的超高层建筑,其施工一般采取“不等高同步攀升”工法进行施工,在施工期,核心筒与外框钢结构、水平楼板存在多级高差,且核心筒附着重型施工设备,核心筒墙体安全性是施工工程平安建造的重点。

针对上述问题,本文以天津高银117大厦工程为例,进行了施工状态下核心筒结构的稳定和最大安全施工层差的分析。其中,稳定分析主要包括:结构特征值分析、考虑几何非线性的材料弹性分析、考虑几何非线性的材料非线性分析、考虑结构初始缺陷的材料非线性分析。本文分析外部框架楼板施工完成后对领先施工的核心筒稳定性的影响,并给出各种状态下结构可能的失稳模式与安全荷载系数。

天津高银117大厦(以下简称117大厦)采用巨型框架+核心筒+巨型斜撑结构形式,总建筑面积为370 000m²,有3层地下室。楼层平面为正方形,随斜外立面逐渐变小,首层平面尺寸约65m×65m,整体呈四棱台体,渐变至顶层时平面尺寸约45m×45m。中央混凝土核心筒为矩形,平面尺寸约37m×37m。

本工程核心筒竖向结构采用模块化低位少支点整体式顶升钢平台模架体系,该体系包括钢平台系统、支撑与顶升系统、挂架与安全防护系统以及模板系统。顶升钢平台系统由钢桁架组成空间体系,由主桁架、次桁架、面外撑杆相互连接组成;钢平台为模板系统、挂架与围护系统提供足够的承载力。如图1所示。

本工程地下室4层,为解决117大厦机电设备的吊装问题,117办公楼共安装了4台内爬式大型动臂塔式起重机,编号分别为1,2号的ZSL2700塔式起重机和3,4号的ZSL1250塔式起重机。如图2所示。

本文采用通用有限元软件ANSYS作为分析工具,为保证计算精度同时考虑到计算效率,本次建模对梁、柱采用梁单元beam44模拟,考虑材料塑性时采用beam188单元进行模拟;对核心筒墙体采用塑性壳单元shell43进行模拟。shell43单元为4节点塑性大应变单元,适合于模拟线性、弯曲及适当厚度的壳体结构。单元中每个节点具有6个自由度:沿x,y和z方向的平动自由度以及绕x,y和z轴的转动自由度。该单元具有塑性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变的特性。

包括顶模钢结构体系的自重及施工荷载。

采取外爬式附着形式,分别附着于办公塔楼核心筒四周。ZSL2700挂架荷载取水平荷载H₁=H₂=392.7×4=1 570.8k N,竖向荷载V=1 300×4=5 200k N;ZSL1250挂架荷载取水平荷载H₁=H₂=305.3×4=1 221.2k N,竖向荷载V=950×4=3 800k N。

由于本工程为超高层建筑,施工周期较长,因此施工中需要考虑风荷载的影响。其中基本风压按10年一遇取值。整体结构的体型系数取1.3,风振系数取1.5。

根据目前的施工情况确定外筒钢梁安装到第32层,外框混凝土楼板浇筑至第18层,内筒钢梁安装到第18层,内筒混凝土楼板浇筑至第11层,分别分析核心筒施工至第55层、第64层和第76层墙体的稳定情况,确定核心筒领先于梁柱和楼板的合理施工高度。如图3所示。

外筒钢梁安装到第62层,外框混凝土楼板浇筑至第52层,内筒钢梁安装到第57层,内筒混凝土楼板浇筑至第47层,确定核心筒领先于梁柱和楼板的合理施工高度。

外筒钢梁安装到第92层,外框混凝土楼板浇筑至第82层,内筒钢梁安装到第87层,内筒混凝土楼板浇筑至第77层,确定核心筒领先于梁柱和楼板的合理施工高度。

在已有工程现场条件下,具体分析核心筒施工至第55层墙体的稳定情况,均考虑2个最不利施工工况。

结构自重、顶模荷载为竖向荷载。横向风荷载F_x,考虑4个爬塔的施工荷载。如图4所示。

结构自重、顶模荷载为竖向荷载。横向风荷载F_y,考虑4个爬塔的施工荷载。如图5所示。

下面分析以第1阶段核心筒施工至第55层墙体为例,进行墙体稳定性分析。

特征值屈曲分析用来预测一个理想线性结构的理论屈曲强度,优点是无需进行复杂的非线性分析即可获得结构的临界荷载和屈曲形状,并可为非线性屈曲分析提供可参考的荷载系数。常用的特征值屈曲分析方法有Subspace法和Block Lanczos法。特征值屈曲分析的控制方程为:

式中:λ为特征值,即通常意义上的荷载因子;ψ为位移向量;K_L为结构的弹性刚度矩阵;K_S为初始应力刚度矩阵。

工况1和工况2作用下核心筒前三阶屈曲荷载系数如表1所示,前三阶屈曲模态如图6所示。

施工工况1和施工工况2作用下,核心筒一阶屈曲荷载系数分别为79.6和78.8;一阶屈曲模态均为水平x向整体屈曲,二阶和三阶屈曲模态均为扭转屈曲,核心筒未出现局部屈曲,墙体整体性良好。

因为在加载直至结构达到极限承载力的过程中,结构通常会发生较大变形,而且其刚度也伴随着发生退化。因此,完整的稳定性过程分析应该考虑几何非线性的影响。考虑几何非线性的有限元方程为:

式中:K₀为结构刚度矩阵;K_σ为结构应力刚度矩阵;K_L为结构大位移刚度矩阵;Δu为位移增量;ΔP为荷载增量。

考虑几何非线性和材料弹性条件时,工况1和工况2作用下混凝土核心筒的临界稳定荷载系数分别为45.2和54.5,2个工况下核心筒的失稳模态与“荷载-位移”曲线如图7,8所示。

由于结构发生整体屈曲之前,可能某局部墙体已经进入塑性工作阶段,因此,为了真实地反映结构屈曲过程中结构的刚度退化情况,通常会对结构进行考虑弹塑性的非线性屈曲分析。本文所采用的混凝土本构模型为三折线模型。该模型能较准确地模拟混凝土受压破坏特性,从总体上来说该本构模型是偏安全的。

考虑几何非线性和材料非线性条件时,工况1和工况2作用下混凝土核心筒的临界稳定荷载系数分别为13.4和14.2,2个工况下核心筒的失稳模态与荷载-位移曲线如图9,10所示。

在施工工况1和施工工况2作用下分别分析了核心筒施工至第55层的墙体稳定情况,其结果汇总如表2所示。

考虑几何非线性和材料非线性条件时,核心筒领先外框架高度与非线性稳定系数关系如图11所示。

核心筒领先外框架高度与非线性稳定系数在工况1与工况2作用下曲线变化基本一致,均为近似线性关系。筒体y向侧向刚度较x向侧向刚度大,因此相对于主荷载为x向的工况1较工况2更为不利。

本文利用通用有限元软件ANSYS对天津高银117大厦工程进行了施工阶段核心筒非线性稳定分析,分析中考虑了几何非线性、材料弹塑性、初始几何缺陷等。并考虑了竖向荷载组合、水平风荷载的作用。以施工至第55层墙体为例,对核心筒与外框架最大施工层差进行计算与分析。分析有限元计算结果可以得到以下结论。

1)相对于弹性分析,考虑材料非线性影响的稳定系数下降。因此,对于混凝土结构而言,必须考虑材料非线性的影响。

2)建议外框架的压型钢板铺设紧跟楼面钢梁的安装,以增强核心筒与外框架之间的联系。

3)第1阶段处于结构的下部,墙体比较厚,领先施工的核心筒稳定性相对较好。但是为了确保施工安全性,同时考虑到施工及材料等不确定因素的影响,建议第1阶段核心筒领先外框施工高度控制在125m以内。

4)为了确保施工安全性,综合考虑墙体稳定、核心筒墙体应力、钢构件应力、施工及材料等不确定因素的影响,建议第2阶段核心筒领先外框架90m以内,核心筒领先外框混凝土楼板115m以内,核心筒领先最上一个封闭桁架层165m。

5)建议第3阶段核心筒领先外框架75m以内,核心筒领先外框混凝土楼板100m以内,核心筒领先最上一个封闭桁架层125m。