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摘要：高层建筑结构中构件的内力，特别是在重力荷载作用下的内力，与施工过程关系密切。在实际施工过程中，主体结构是逐层完成的，恒荷载随之逐层施加。当某一层结构施工完毕后，该层大部分恒荷载也同时加载完毕。如果仅考虑整体结构一次形成刚度，只对结构使用阶段在不同荷载工况及其组合作用下的效应进行分析，不考虑逐层施工过程以及逐层找平的因素，各层的竖向荷载一次施加，计算得出顶层构件的竖向变形值与变形差将远大于实际情况。随着楼层数的增加，这种偏差越来越大，造成顶层框架梁产生很大的弯矩，甚至个别框架柱产生拉力。因此，在进行高层结构计算分析时，进行合理的施工过程模拟是非常必要的。
关键词：高层建筑；建筑结构；垂直荷载；施工模拟
引言
近年来，随着经济的快速发展与建筑行业技术进步的日新月异，我国在超高层建筑建造的高度与数量方面取得了举世瞩目的成就。与此同时，在超高层结构设计理论方面的研究与计算分析手段也取得了很大进展。随着建筑高度的增加，其高宽比也相应加大，结构呈现出“高、细、柔”的特点，地震与风荷载等水平方向的荷载效应与结构侧向刚度成为设计的主要控制因素，结构抗震性能与设计方法、风振响应分析与控制理论等方面已经取得大量的研究成果，设计技术也日趋成熟。
一、高层建筑的施工模拟方法
1、逐层激活算法
为了避免一次加载或简化施工模拟方法引起的误差，在高层建筑结构设计中，应优先采用逐层激活法（又称为逐步激活法），通过有限元软件中的“生死单元”技术，先将所有结构单元杀死，此时其自重、荷载等结构属性均为零，然后按结构实际施工顺序，逐层对结构单元进行激活，使其自重、荷载等结构属性恢复其初始值，直至整体结构最终形成，如图1所示。这种“生死单元”技术，通过杀死未建结构单元，消除其刚度及荷载对总体刚度及计算结果的影响，可以精确模拟结构刚度逐步形成与各阶段荷载施加的详细过程。逐层激活法在高层建筑内力及竖向变形计算中具有较为普遍的适用性。该方法真实地反映了超高层建筑逐层施工的实际过程，但计算量相对较大。另外，由于在实际高层建筑施工中不可能在混凝土构件达到28d强度后再建造上部楼层，因此施工模拟分析难以考虑混凝土构件材料弹性模量随混凝土龄期的变化情况。
2、分区激活算法
超高层楼层数量很多，施工模拟若采用逐层激活模型计算量很大。故此，可以在逐层激活法的基础上，考虑采用分区激活法。分区激活法是将超高层结构沿高度分为若干区段，每个区段包含若干个楼层，在施工模拟过程中，从下至上分区段依次激活。这种方法计算量大大减小，计算结果误差不大。
此外，对于超高层建筑结构来说，除结构构件自重外，建筑地面做法、吊顶、隔墙、幕墙以及机电设备等附加恒荷载所占比重较大，室内外装修施工明显滞后于主体结构施工，在施工模拟中也可以给予真实反映。超高层建筑分区激活法施工过程模拟方法如图2所示。在图2中，结构施工区段考虑结构构件自重，在装修施工阶段考虑建筑地面做法、吊顶、隔墙、幕墙及机电设备等附加恒载。结构构件的竖向变形差自下而上逐步累积，到顶层达到最大，在施工中标高控制也难免出现一定误差，将会给设备安装等带来不利影响，同时也会在结构中尤其是顶层产生附加力矩。因此，施工过程中应注意随时调整竖向构件的标高差异，将不利影响控制在较小范围。
混凝土结构在施工过程中，对楼层标高逐层进行调整，可以部分消除下部竖向构件压缩变形与部分收缩徐变的影响。对于钢结构，当层高4m时，竖向构件的压缩变形可达2～3mm。由于钢结构构件一般在工厂进行加工制作，可以根据理论计算对构件长度进行调整，并可通过焊缝间隙进行微调。
二、特殊结构形式的施工模拟
转换结构在实际工程中有多种形式，当上部荷载较大时，可以采用多层托梁转换的方式。对于转换桁架或环桁架，通常构件高度占用2～3个结构楼层，如果沿用逐层施工的模拟方式，将无法得到正确的内力与变形。此外，对于空腹桁架、交错桁架、悬挂结构等跃层结构，也不能直接采用逐层施工模拟的计算方法。对于跃层柱，应避免将通高构件形成无水平构件的多段柱。
正确选择在施工模拟中同时激活构件的范围非常重要，每步激活的构件均应能够形成承托上部结构或吊挂下部结构的稳定结构体系。几种典型的特殊结构形式在施工模拟计算中一次激活的范围如图3所示。在实际施工过程中，正确把握特殊形式结构拆除模板或临时支撑的时机非常关键。
对于钢板剪力墙、无黏结钢板支撑剪力墙板等后装内嵌剪力墙板，避免承受重力荷载的防屈曲支撑，以及最后固定的核心筒与外框架之间的伸臂桁架，在施工模拟计算分析中也应最后激活。
三、施工顺序影响分析实例
某超高层建筑总高530m，结构屋面标高518m，地下5层，地上112层，总建筑面积约50.7万m 2，塔楼集办公、服务公寓、酒店、餐厅于一体，结构平面布置如图4所示。为了增加结构的侧向刚度与整体性，在23～24，40～41，67～68，92～94层设置伸臂桁架与环向桁架，并在56～57，79～80层单独设置环向桁架。位于③轴与⑧轴的外侧环向桁架，还起到承托其上重力钢柱的作用，伸臂桁架与周边环向桁架均采用焊接箱形构件。桁架的弦杆与腹杆主要通过节点板相连。
塔楼采用巨型框架+核心筒的双重抗侧力体系，结构平面布置中，塔楼在每侧角部设置两个巨型柱，在其中两个侧边的巨型柱之间设置了支承于环向桁架的钢柱。侧边巨型柱之间的框架梁被钢柱分成3跨，主要作用是承担楼层重力荷载，边跨梁端（邻近巨型柱部位）框架梁段最大应力比为0.8左右，钢柱之间的中跨框架梁段应力比约为边框架梁的1/2左右，应力比水平较低。
框架梁沿建筑周边布置，两端刚接，跨度为10m左右，66层以下规格为H1000×600×20×40，67层及以上规格为H800×400×20×40。计算分析表明，框架梁在巨型柱一端部的应力比较高，主要因为在重力荷载作用下承托钢柱的环向桁架产生竖向挠度引起的梁端弯矩。
在进行结构计算分析时，可将巨型柱与环桁架视为主结构，重力柱与边框梁形成的框架视为次结构，通过采取合理的施工顺序，先将框架梁与巨型柱铰接，梁翼缘暂时不焊接，待其上各楼层施工完毕后，再将梁翼缘与柱相焊接。该做法可以有效降低在重力荷载作用下梁端弯矩及应力比，在保证边框架对结构侧向刚度的贡献同时，可有效减小构件截面尺寸，提高构件的利用率，如图5所示。
通过上述措施，边框梁H型钢截面规格明显减小，可以减少用钢量2 100t左右，室内建筑净空高增加，对设备管线及吊顶亦无不利影响。框架梁截面规格调整后，边跨梁端应力比保持不变，而中跨应力比由0.3～0.7增加至0.5～0.7。上述截面代换对其他构件的内力几乎没有影响，也未改变楼层重力荷载的传力路径，对整体结构的层间位移角等控制指标的影响微小。由此可见，通过合理调整施工顺序，能够使边框梁受力形态更加趋于合理，形成明确的主、次结构理念。
结语
在进行超高层建筑结构设计时，施工过程的准确模拟，特别是特殊结构类型构件的激活顺序，对于正确计算构件的内力与变形、保证结构安全具有重大意义。应根据构件的形式与特点，制定合理的施工与安装顺序，才能得到合理的受力形态，发挥构件预期的性能目标。
参考文献：
［1］徐培福，傅学怡，王翠坤，等．复杂高层建筑结构设计［M］．北京：中国建筑工业出版社，2005．
［2］中国建筑科学研究院．JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，2011．
［3］傅学怡．高层建筑结构垂直荷载下的施工模拟计算［J］．深圳大学学报：理工版，1992，9（1）：23-29．
［4］方永明，韦承基，戴国莹．高层建筑结构施工模拟分析的剖析［J］．上海铁道大学学报：自然科学版，1997，18（4）：50-54．
论文作者:叶海亚
论文发表刊物:《基层建设》2015年24期供稿
论文发表时间:2016/3/16
标签：结构论文; 荷载论文; 构件论文; 桁架论文; 框架论文; 刚度论文; 高层建筑论文; 《基层建设》2015年24期供稿论文;