深圳平安金融中心施工模拟研究.docx

深圳平安金融中心施工模拟研究 李秋胜+汪辉摘 要：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，本文以在建的中国第一高楼——深圳平安金融中心为工程背景，用Midas/Gen软件将结构分成了25个施工阶段进行了施工全过程模拟.研究了考虑收缩徐变作用下核心筒和巨柱的竖向累积变形规律及其变形差异.模拟结果表明，超高层建筑中混凝土收缩徐变引起的变形约占总变形的一半，其影响不能忽略；同时研究了结构的带状桁架、伸臂桁架、巨型斜撑和V型支撑等关键部位随施工阶段的应力变化规律.结果显示结构不同位置的杆件受力情况不同，桁架层的弦杆应力随施工阶段变化较小而腹杆应力随施工阶段变化较大，结构设计中可针对不同受力的构件设计不同截面.结构竣工后杆件所受应力均小于材料强度设计值.关键词：超高层建筑；施工模拟；收缩徐变；竖向变形：TU973.32 ：A：1674-2974（2016）05-0097-09Abstract：In high-rise buildings， construction process and non-load effect are not considered in conventional finite element analysis. In this paper， for the construction project of Shenzhen Pingan Financial Center （PAFC）， which is the highest tall building under construction in China， full construction process simulation was conducted by dividing the structure into 25 construction stages using Midas/Gen software. Vertical cumulative deformations of the concrete core-wall and mega columns， and the deformation variance due to the shrinkage and creep of concrete were studied. The simulation results show that vertical deformation caused by the shrinkage and creep causes more than half of the total deformation， and the effect of the shrinkage and creep cannot be ignored. In addition， the internal forces of the critical members in the building structure including belt trusses， outriggers， mega diagonal brace， and V-typed brace during construction were also investigated. The different loading conditions were applied to the structural members at different locations. The stress of cord members in the trusses changes little， while the stress of web members in the trusses changes significantly during the construction process， which indicates that the design of the structure members can be varied with the loading conditions. In the final construction stage， the stress of the structure members is less than the material strength with a certain safety margin， and the measurement data can be used as reference for actual construction.Key words：super high-rise building； construction sequence； shrinkage and creep； vertical deformation of structural member超高层建筑施工过程中，结构在自重作用下以及受混凝土收缩、徐变影响将产生较大的竖向变形.特别是对超高层建筑的核心筒和外框，两者的材料和荷载有较大的差异，在施工期间核心筒和外框柱的竖向变形会造成两者产生较大的变形差[[1[].此外，超高层建筑核心筒和外框架施工并不是同步进行的，这会进一步造成两者间的差异，内外筒的差异变形会对结构的一些关键节点和杆件连接产生不利的影响[[2].由于结构本身是一个时变体系，结构的材料特性和荷载都随施工过程处于不断变化当中，如果没有考虑到施工阶段、材料强度的发展以及混凝土的收缩、徐变等非荷载效应的影响，通过计算软件建立的结构模型和实际的结构效应将存在相当大的差异[[3-5[].对于深圳平安金融中心这样的超高层建筑，在施工期间，结构形态、内力以及约束都在不断地发生变化.结构内力与变形具有时空变化特性，即结构内力最大值并非发生在同一时刻，在不同的施工阶段，结构内力与变形的最大值可能发生在不同的部位.因此，为保证施工期间的安全性和可行性，应对结构进行施工过程的模拟分析，研究结构变形和关键杆件的变化规律.本文结合深圳平安金融中心项目，利用结构分析软件MIDAS/GEN对施工阶段结构的竖向变形差异进行了研究，同时对结构关键构件如巨型斜撑，伸臂和带状桁架等主要构件进行了内力分析，确保施工过程中结构的可靠性. 1 工程介绍1.1 项目概况深圳平安金融中心（图1）位于深圳市福田区，福华路和益田路交汇处西南角，地处深圳市CBD中心区，是深圳市又一标志性建筑.总建筑面积为460 665 m2，建筑分地下5层，地上118层，标准层层高4.5 m，结构含塔尖总高度为660 m.平安国际金融中心是集超甲级写字楼，5星级酒店，时尚购物，文化娱乐及观光为一体的综合性超高层建筑.主塔楼外轮廓从底部向上呈曲线变化，大楼从首层平面尺寸约为60 m6 0 m开始，由正方形两边向上逐渐收缩而成，在100层以上尺寸收缩到约为46 m46 m.中央核心筒平面是尺寸约为30 m30 m的矩形，内含所有垂直交通运输、设备竖井和服务空间等.1.2 结构组成塔楼结构（图1（b））的主要抗侧力体系是由型钢钢筋混凝土核心筒、巨型外框架.型钢钢筋混凝土内筒在墙体四周及脚部埋设型钢柱.巨型外框架主要包含8根巨柱、7道空间带状桁架、4道伸臂桁架、巨型钢斜撑和角部V形撑等.巨型柱采用型钢混凝土，尺寸从底部6.5 m3.2 m到顶部2.0 m2.0 m逐渐递减.7道空间带状桁架和平面角桁架分别位于每个区的设备层，均与巨柱连接，形成巨型框架.巨型钢斜撑和V型支撑跨越多个楼层，连接巨柱，作为抗侧力体系的第二道防线，以提高整体结构的抗侧刚度.外伸臂钢桁架沿塔楼高度设置4道，将核心筒与巨柱连接.塔楼楼盖由型钢梁、混凝土楼板构成，连接内筒与巨柱的型钢梁两端刚接，其余型钢梁两端铰接[[6[].2 有限元模型建立2.1 施工步的划分与子模型的建立平安金融中心施工过程中，施工总体以核心筒为核心，外框架及楼板协调依托进行，即相互依托和配合.外框巨柱采用逐节吊装，整节浇筑的施工方案.由于混凝土核心筒采用爬模施工工艺，因此施工过程中核心筒领先外框架进行.按照现场实际施工情况，分核心筒，核心筒楼板，外框架（包括巨柱和外框钢结构）和外框楼板四部分进行施工模拟，核心筒领先外框架15层，外框架领先外框板5层，外框板领先核心筒板5层，总共划分为25个施工阶段.图2列出了其中5个施工阶段的子模型，主5个施工阶段的施工进度如表1所示.2.2 施工模拟在施工模拟过程中，主要考虑的荷载包括结构自重、塔吊和爬模的荷载、施工活荷载和收缩徐变等[[7-8[].结构自重是施工中主要承受的荷载，Midas/Gen软件根据结构构件的几何信息以及材料密度等自动进行计算.结构施工过程中的塔吊荷载、爬模系统荷载等通过墙体预留的施工洞传递至混凝土核心筒，在模型中以集中力的方式加到核心筒中.施工活荷载根据实际施工状况采用2.5 kN/m2.施工过程中考虑混凝土材料收缩，徐变特性，均采用《中国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD 62-2004）中混凝土的收缩徐变模型，其28 d抗压强度为40 MPa，龄期为3 d.列举核心筒墙体强度等级C60的收缩和徐变系数分别如图3和图4所示.施工进度模拟按照现场实际情况，普通层4 d一层，桁架层8 d一层.施工过程中伸臂桁架铰接，待结构主体施工完毕后刚接，其余结构杆件节点施工过程中均为刚接.3 结果分析3.1 结构施工完毕结构各层竖向累积变形规律本节选取巨柱和核心筒，在考虑混凝土收缩徐变的情况下，分析了最后施工阶段即结构竣工后巨柱和核心筒沿塔楼高度方向各层的竖向变形累计变化值[[9]，并且与不考虑施工过程即一次性加载的结果进行了比较.巨柱和核心筒竖向变形分析选取位置如图5所示，其两种工况下各层变形沿高度分布规律和各层核心筒和巨柱的变形差分别如图6和图7所示.如图6所示，考虑施工过程的施工模拟工况下核心筒和巨柱竖向变形呈现为锯齿波动，这是由于结构以5层为一个施工段逐步推进，在同一个施工段内，上层变形总是大于下层变形.从图中可以看出，巨柱和核心筒各层的累积竖向变形规律大体相同，都是先增大后减小，呈鱼腹型，这是考虑了混凝土浇筑时找平至设计标高后产生的结果.累积竖向变形最大值发生在结构中间层附近，核心筒最大变形为76.77 mm，位于54层；巨柱最大变形为64.45 mm，位于64层.而对于不考虑施工过程的一次性加载工况，其各层竖向变形沿楼层一直增大，最大值发生在结构顶部.核心筒最大变形为91.10 mm，巨柱的最大变形为89.72 mm.对比可知，未考虑施工过程的模拟由于荷载一次性加载而并非分阶段，没有考虑到施工过程中的找平，使得其与考虑施工过程的结果有很大的差别，存在一定的误差.因此，对于超高层建筑进行模拟分析时，应考虑施工过程的影响从而使结果更接近于实际施工的状态.图7表示的是核心筒减去巨柱所得的竖向变形差.从图中可以看出，考虑施工阶段的核心筒变形大于巨柱的竖向变形，累积竖向变形差随着楼层的增高也逐渐增大，在塔楼上部有下降趋势.当核心筒领先外框架层数为15层时，变形差最大为25.09 mm，位于104层.对于不考虑施工过程的工况来说，由于未考虑核心筒和巨柱施工层数的差异，其各层竖向变形差很小均在1 mm左右.文献[2]同样对平安金融中心的竖向变形进行了模拟分析，结构施工完毕时竖向变形沿楼层高度分布规律与本文施工模拟的工况相同，都是呈鱼腹型，最大值发生在结构的中部.但文献[2]模拟结构竣工后的累积竖向变形最大值为：核心筒103 mm，位于59层；巨柱87 mm，位于64层，并且核心筒和竖向变形差最大为18 mm.与本文比较，核心筒和巨柱的竖向变形最大值相差了20 mm左右，竖向变形差减小了约7 mm.其原因为文献[2]与本文采用的模拟软件和收缩徐变。