超高层建筑结构形式复杂,桁架层往往不随结构施工进行而安装连接的。外框筒在结构封顶之时,结构变形不再发生变化。而由于核心筒混凝土收缩徐变的进行,核心筒的竖向变形仍在积累。所以对伸臂桁架连接时间的研究是很有必要的。

伸臂桁架对主体结构的抗侧起到重要作用。在风荷载及地震作用下,结构能否达到规范要求的安全性能主要仰仗于伸臂桁架是不是真正起到作用。而伸臂桁架的受力情况及对整体结构的贡献与其连接时间密不可分,只有在最合适的时间进行连接,才能使外框柱与核心筒内力分布均匀,两端变形差合理。王化杰以深圳京基金融中心为原型对 Z 形和 V 形两种典型伸臂桁架进行多种安装方案分析,得到其内力发展规律和安装最优时序。朱骏在分析超高层外框柱与核心筒竖向变形差的同时,得到伸臂桁架“ 允许变形、临时连接、择时固定” 的安装方案。段海以沈阳恒隆广场主塔楼为对象,提出一种超高层建筑伸臂桁架“ 延迟连接” 的施工技术。苑会杰以西安金融中心为分析模型,得到伸臂桁架安装越早,结构封顶时产生的附加应力越大的规律。张风亮基于施工力学分析,结合陕西省超高层建筑——延长石油科研中心大楼项目,根据伸臂桁架不同位置的延迟连接提出多种终拧连接方案。

宁华宏以南宁华润中心东写字楼为研究对象并结合 BIM 技术,总结超高层建筑伸臂桁架施工经验。方义庆等对国内部分 300 m 以上超高层建筑外框架柱布置情况进行了统计,就伸臂桁架连接柱与其他外框架柱截面面积比对结构侧向受力性能影响进行了分析。周敏以实际工程为依据,研究了伸臂桁架类加强层不同施工顺序对结构性能的影响,认为伸臂桁架及其附属结构采取延迟施工对结构有益。周康以深圳平安金融中心为对象,进行了施工阶段的健康监测与全过程模拟研究,并对核心筒领先外框架施工以及伸臂桁架后接时序等施工方案的优化进行了探讨。董传艺以重庆来福士项目为背景,阐明一种高效、合理、安全的超高层组合伸臂桁架的施工技术。

1.1 有限元模型

银川绿地中心双子塔之一的南塔, 结构高度301 m,共 67 层,包括地下 4 层和地上 63 层。地下 1层夹层层高 3.7 m,地下标准层层高 3. 9 m,地下 3 层层高 4.2 m。首层层高 6.5 m,2 层层高 6.1 m,标准层3~62 层层高 4.2 m。63 层层高 4.45 m,63 层夹层~屋顶 18.55 m。核心筒高 285.6 m。本次分析的研究对象为银川绿地中心南塔的 33~34 层桁架及 51~52层桁架,其梁柱结构布置如图 1、图 2 所示。

图 1 33~34 层结构布置

图 2 51~52 层结构布置

采用独立建模的 ANSYS 模型。模型中的构件分为 6 部分:外框筒、核心筒、核心筒中的楼面梁、核心筒中的楼面板、外框筒与核心筒之间的楼面梁、外框筒与核心筒之间的楼面板。模型中共使用了两种单元:Beam 188 单元、Shell 181 单元。其中外框筒、所有的梁、核心筒上部变为内框架的部分均采用Beam 188 单元;剪力墙、楼板、核心筒除上部内框架之外的部分均采用 Shell 181 单元。

根据施工图,将银川绿地中心南塔结构在 ANSYS 中建立模型并划分单元网格, 其中节点数为225514 个,单元总个数为 296221 个,包括 86910个 Beam 188 梁单元,209311 个 Shell 181 壳单元。南塔初始的 ANSYS 模型可见图 3。

图 3 初始 ANSYS 模型

南塔 33~34 层及 51~52 层的伸臂桁架模型的重要参数如下:

1) 单元:Beam188 单元; 2) 弹性模量:E_X= 2.060GPa; 3) Al_px= 1.17×10^-5;P_rxy= 0.3; 4) 33~34 层伸臂桁架主要构件截面:斜杆:采用□1450 × 800 × 100 ×100 箱梁;上弦、下弦杆箱梁:采用□900 × 600 × 80 ×80;51~52 层伸臂桁架主要构件截面:斜杆箱梁:采用□950×600×100×100 箱梁;上弦、下弦杆箱梁:采用□900×500×80×80 箱梁。

伸臂桁架模型建立后,33~34 层转换桁架模型如图 4、图 5 所示。

图 4 33~34 层伸臂桁架示意

图 5 33~34 层伸臂桁架三维视图

1.2 计算方法

本次计算核心是通过不同施工步激活伸臂桁架得到其连接时序最优解。采用 ANSYS 的生死单元功能模拟绿地中心的施工全过程,按照施工步逐步激活各部分结构,依次施加各项荷载。在这个过程中,考虑核心筒混凝土的收缩徐变效应对竖向变形的影响。计算完毕后,可得到各个施工步结束后结构的变形结果。需要说明的是,本文中的各项数据,都是对计算结果进行一定处理后得到的。

依据既定施工方案,将整个绿地中心施工过程划分为 14 个施工步,即 stage14 完成之后,结构刚度均已确定(但荷载仍在变动)。不同施工段的结构模型见图 6。每一施工步所对应的实际时间、外框筒和核心筒的施工高度可参见表 1,核心筒内的梁板的施工与核心筒墙壁同时进行,内外筒之间的梁、楼板的施工与外框筒同时进行。

a—南塔 stage2 对应的形象进度; b—南塔 stage4 对应的形象进度; c—南塔 stage8 对应的形象进度; d—南塔 stage13 对应的形象进度。

图 6 不同施工段的结构模型

表 1 施工步划分

注:stage12 为核心筒封顶施工步;stage13 为外框筒封顶施工步;stage14 为收缩徐变稳定施工步。

1.3 伸臂桁架连接工况

划分本次分析的目的是研究伸臂桁架连接的最合适时间。所以,针对 5 种不同施工段进行连接的工况,通过数值模拟结果得到最不利杆件在 5 种工况下的轴力、应力、变形曲线,综合分析后给出伸臂桁架最优连接时间。定义连接 33~34 层桁架为 A 事件,连接51~52 层桁架为 B 事件。具体的工况分类如表 2。

表 2 伸臂桁架连接工况组合

为更明确地对比数值模拟结果,保证给出结论的合理性。将得到的数值模拟结果进行处理,得到五种工况下伸臂桁架最不利的应力、轴力、应变曲线,分析桁架内力及变形曲线规律。挑选伸臂桁架中的最不利一榀为研究对象,对其 3 根杆件进行编号,如图 7 所示。

图 7 伸臂桁架最不利杆件编号示意

因 33~34 层桁架与 51~52 层桁架结构布置完全相同,所以其最不利位置也在同一处出现,所以下面的分析对于 33~34 层桁架与 51~52 层桁架均选择这 3 根杆件。

2.1 最不利杆件轴力分析

1 号杆件为桁架上弦,其在 5 种工况下的最大轴力曲线如图 8 所示,为表达简洁清晰,本文后续都采用轴力的绝对值。

图 8 1 号杆件最大轴力曲线

根据 1 号杆件的最大轴力变化趋势可知:33~34 层桁架的轴力和桁架连接时间无确定性关系;对于 51~52 层桁架来说,桁架连接时间越晚,桁架的轴力越小。

2 号杆件为桁架腹杆,其 5 种工况下最大轴力曲线如图 9 所示。根据 2 号杆件的最大轴力变化趋势可知:33~34 层桁架的轴力和桁架连接时间无确定性关系;对于 51~52 层桁架来说,桁架连接时间越晚,桁架的轴力越小。

图 9 2 号杆件最大轴力曲线

3 号杆件为桁架下弦,其 5 种工况下最大轴力曲线如图 10 所示。

图 10 3 号杆件最大轴力曲线

根据 3 号杆件的最大轴力变化趋势可知:除去工况 2 存在畸形点,33~34 层桁架的轴力随着桁架连接时间越晚而逐渐减小;对于 51~52 层桁架来说,桁架连接时间越晚,桁架的轴力越小。

2.2 最不利杆件应力分析

提取 1~3 号杆件在 5 种工况下的最大 Mises 应力得到其最大 Mises 应力曲线如图 11~13 所示。根据 1 号杆件的最大 Mises 应力变化趋势可知:无论33~34 层或 51~52 层伸臂桁架,随着连接时间的延后,伸臂桁架 Mises 应力都越小。

图 11 1 号杆件最大 Mises 应力曲线

图 12 2 号杆件最大 Mises 应力曲线

图 13 3 号杆件最大 Mises 应力曲线

2.3 最不利杆件变形分析

1 号杆件为桁架上弦,提取 1~3 号杆件在 5 种工况下最大变形,得到其最大变形曲线如图 14~16所示(此处的变形为竖向位移绝对值减去下部结构的刚体位移)。根据 1 号杆件的最大变形变化趋势可知:无论 33~34 层或 51~52 层伸臂桁架,随着连接时间的延后,伸臂桁架变形都越小。

图 14 1 号杆件最大变形曲线

图 15 2 号杆件最大变形曲线

图 16 3 号杆件最大变形曲线

2.4 连接时序优化对实际施工的指导

根据本文提出的有限元计算方法,按照工况 5施工,即在内外筒完成收缩徐变稳定后的 stage14 施工步之后进行伸臂桁架的连接,无论是从伸臂桁架连接后构件的初始内力、应力,或是初始变形分析结果来看,随着连接时间的延后,伸臂桁架的响应最小。

银川绿地中心双子塔南塔在施工时,考虑结构收缩徐变时期较长,内外筒长期没有伸臂桁架的连接就难以形成更大的抗侧刚度,同时综合考虑工期及抵抗灾害荷载的能力,选取桁架响应相对较小的工况 4,即在外框筒封顶施工段(stage13)完成后进行了伸臂桁架的连接。

在上下两层伸臂桁架连接合龙期间,根据前期部署的现场伸臂桁架施工监测系统数据分析显示,伸臂桁架的应变变化与数值模拟结果吻合较好,验证了本文提出的连接时序优化算法的可靠性。

本文以银川绿地中心南塔中的 33~34 层桁架及 51~52 层桁架为研究对象,采用 ANSYS 软件进行数值模拟,对数值模拟结果进行分析后得到的主要结论如下。

1) 根据伸臂桁架的轴力曲线可知:连接时间越晚,桁架轴力越小。根据伸臂桁架的应力曲线可知:连接时间越晚,桁架应力越小。根据伸臂桁架的变形曲线可知:连接时间越晚, 桁架变形越小。综合考虑工期及抵抗灾害荷载的能力,建议选取工况 4,即在外框筒封顶施工段(stage13) 连接伸臂桁架。

2) 根据伸臂桁架的轴力曲线可以得到:1 号杆件的最大轴力为 340 kN, 2 号杆件的最大轴力为1830 kN,3 号杆件的最大轴力为 870 kN。工况 4下 1 号杆件的最大轴力为 90 kN,2 号杆件的最大轴力为 400 kN,3 号杆件的最大轴力为 120 kN。分别比最大轴力减小了 250,1430,750 kN。

3) 根据伸臂桁架的应力曲线可以得到:1 号杆件的最大应力为 3.69 MPa,2 号杆件的最大应力为9.76 MPa,3 号杆件的最大应力为 8.05 MPa。工况4 下 1 号杆件的最大应力为 1.48 MPa,2 号杆件的最大应 力 为 3.58 MPa, 3 号杆件的最大应力为4.44 MPa。分别比最大应力减小了 2.21, 6.18,3.61 MPa。

4) 根据伸臂桁架的变形曲线可以得到:1 号杆件的最大变形为 9.73 mm,2 号杆件的最大变形为9.82 mm,3 号杆件的最大变形为 9.98 mm。工况 4下 1 号杆件的最大变形为 3.26 mm,2 号杆件的最大变形为 3.43 mm,3 号杆件的最大变形为 3.27 mm。分别比最大变形减小了 6.47,6.39,6.71 mm。

5) 本次分析采用 ANSYS 中的生死单元功能来模拟施工全过程。并且可以按照所选工况进行桁架的激活,可以模拟得到桁架不同时间激活的内力分布,为桁架连接时间的确定提供参考。

来源：武军. 超高层建筑伸臂桁架连接时序优化模拟分析[J]. 钢结构(中英文), 2021, 37(1): 46-52.

doi:10. 13206/j. gjgS21062901