超高層塔樓施工風險范文

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《建設(shè)監(jiān)理雜志》2014年第二期

1工程概況與研究參數(shù)

1.1工程概況上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)X2地塊設(shè)計為獨具特色的超高層建筑，占地面積約6.4萬m2，項目規(guī)劃建筑面積約為60萬m2。擬建項目含地下室4～5層；裙房4層，高度為24m；1棟23層低座酒店，高度為85m；1棟57層南塔樓，高度為260m；1棟55層北塔樓，高度為250m。塔樓主要為高級辦公樓、酒店及公寓式酒店，建成后將成為該地區(qū)標志性建筑。其中南北兩座塔樓結(jié)構(gòu)采用鋼與混凝土的組合結(jié)構(gòu)，塔樓抗側(cè)力體系主要由混凝土核心筒、外圍巨型柱承擔，并設(shè)有三道巨型桁架增強結(jié)構(gòu)的整體性。結(jié)構(gòu)豎向荷載由巨型柱(鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu))和混凝土核心筒共同承擔。

1.2研究內(nèi)容由于鋼、混凝土材料性能迥然，尤其是材料時變特性的影響，造成結(jié)構(gòu)實際成形結(jié)果與設(shè)計計算假定不符，產(chǎn)生誤差。高層復雜結(jié)構(gòu)施工過程持續(xù)時間長，荷載工況多，結(jié)構(gòu)存在顯著的豎向變形差異。過大的豎向變形差異成為施工過程中的風險因素。混凝土的齡期、收縮、徐變以及構(gòu)件受力不均等因素對結(jié)構(gòu)的豎向變形有影響，這些因素均是與時間有關(guān)的函數(shù)，表現(xiàn)在施工過程中主要是施工速率的影響。(1)X2地塊超高層建筑施工工期短，決定了混凝土澆注后加載齡期早，而過早的加載齡期對混凝土的強度、彈性模量、收縮、徐變均有不利影響。如何選擇合理的施工速率控制結(jié)構(gòu)豎向變形，保證工程順利進行是一項主要研究內(nèi)容。(2)選定施工速率之后，確定平差標準，在施工中預(yù)先提高施工標高，使結(jié)構(gòu)標高在施工期結(jié)束后等于設(shè)計標高，及時調(diào)整巨型柱與核心筒變形差異，保證工程安全進行。

1.3計算假定計算假設(shè)如下：(1)本文主要研究上部結(jié)構(gòu)豎向變形，不考慮地基不均勻沉降引起的部分，假定結(jié)構(gòu)與地面剛接。(2)每5層作為一個豎向變形研究特征層。(3)討論外圍巨型柱與核心筒變形時，取同一樓層外圍巨型柱變形平均值與核心筒角部變形平均值進行分析。(4)結(jié)構(gòu)體系在施工期承受自重作用，樓面荷載考慮200kg/m2，并按面積分配到巨型柱和核心筒上，取荷載標準組合。(5)不考慮水平荷載和水平構(gòu)件對豎向變形的影響。

1.4計算參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，主體主要承重結(jié)構(gòu)混凝土強度等級見表2。巨型框架柱外圍截面尺寸由2000×2600變化到2000×2000，其內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)勁性骨架變化頻繁，主要承重鋼結(jié)構(gòu)鋼材等級均為Q345。根據(jù)已有施工方案，通過MIDAS有限元計算分析軟件建立結(jié)構(gòu)數(shù)值模型時，認為內(nèi)部混凝土核心筒領(lǐng)先外部結(jié)構(gòu)5層施工。模型中共劃分58個施工階段，并采用梁單元模擬結(jié)構(gòu)中梁柱構(gòu)件，使用梁單元并通過釋放梁端約束的方式模擬桁架層中鉸接構(gòu)件，核心筒墻單元基于薄板理論計算。施工過程中考慮混凝土材料齡期、收縮、徐變特性時，均采用CEB-FIP模型，其具體參數(shù)取值詳見表3。結(jié)構(gòu)整體模型如圖2所示，比較詳盡地反映了整體結(jié)構(gòu)中墻、柱、梁、桁架、板的實際尺寸和位置關(guān)系，共建立了35000多個單元，其中墻單元有7000多個，板單元有9300多個，梁單元19200多個。桁架層也全部采用梁單元來處理，通過釋放梁端的約束，來模擬桁架層的受力和變形問題。

2不同分析方法的結(jié)構(gòu)豎向變形研究

結(jié)構(gòu)施工過程期間是時變結(jié)構(gòu)體系，隨著施工過程的推進，結(jié)構(gòu)幾何形狀、邊界條件、荷載狀況不斷變化。混凝土材料的特性也在不斷變化。使用一般整體模型分析方法和考慮施工階段分析方法得出結(jié)果存在不同。采用結(jié)構(gòu)一次整體加載模型與按5d/層分析結(jié)果進行比較分析，如圖3和圖4所示。由上述分析結(jié)果可知：采用整體模型分析時，外圍巨型柱及核心筒豎向變形隨樓層增加而累計增長，其中外圍巨型柱最大豎向變形為44.6mm，核心筒最大豎向變形為32.4mm，均發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂層，最大豎向變形差為7.5mm，發(fā)生在結(jié)構(gòu)45層處；采用施工階段模型分析時，外圍巨型柱及核心筒豎向變形在結(jié)構(gòu)底部、頂部小，中間層變形大的特點，其中外圍巨型柱最大豎向變形為61.7mm，核心筒最大豎向變形為34.0mm，最大豎向變形差為27.7mm，均發(fā)生在結(jié)構(gòu)35層處。通過比較發(fā)現(xiàn)，整體模型分析法與施工階段分析法得出結(jié)果存在差別。常規(guī)分析手段下，認為結(jié)構(gòu)一次成型，荷載一次施加，未考慮施工過程中無形補償?shù)牟糠纸Y(jié)構(gòu)變形(施工前變形)。因此，結(jié)構(gòu)豎向變形曲線呈現(xiàn)出逐漸累加遞增的特點。而在實際施工條件下，通過絕對標高控制法已經(jīng)無形補償了施工前變形，結(jié)構(gòu)實際變形應(yīng)為上部荷載引起的結(jié)構(gòu)變形(施工后變形)。結(jié)構(gòu)施工后變形由上部荷載引起，荷載越大，變形越大，豎向變形曲線理論上應(yīng)逐漸遞減，本模型采用了結(jié)構(gòu)底部固接假定，因而豎向變形在結(jié)構(gòu)底部為零，隨后逐漸增大，繼而再減小的“中間大，兩頭小”的分布特征。因此，在符合模型計算假定的情況下，采用施工階段分析法更符合實際工程情況。

3不同施工速率下結(jié)構(gòu)豎向變形研究

針對混凝土該特性，需要在高層結(jié)構(gòu)施工過程中選用合理的施工速率，采用不同的施工速率3d/層、5d/層、7d/層進行核心筒和巨型柱的變形計算，計算結(jié)果如圖5和圖6所示。核心筒和巨型柱不同施工速率下的變形幾乎是一致的，無論是外圍巨型柱、核心筒，還是兩者變形差均在結(jié)構(gòu)底部、頂部最小，并在結(jié)構(gòu)中部達到最大，因此施工速率對結(jié)構(gòu)豎向變形幾乎沒有影響。根據(jù)此分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場施工進度、協(xié)調(diào)等方面，建議施工時采用5d/層的施工方案。

4施工速率5d/層情況下，結(jié)構(gòu)豎向變形研究

結(jié)構(gòu)豎向變形由自重作用以及施工荷載作用下的彈性變形、混凝土收縮變形、徐變變形組成，其計算結(jié)果如圖7和圖8所示。通過計算分析可知，巨型柱以及核心筒的彈性變形、混凝土徐變變形、收縮變形在結(jié)構(gòu)底部、頂部很小，在結(jié)構(gòu)中部達到最大值。巨型柱最大總變形為61.7mm，其中彈性變形為42.9mm，徐變變形為16.8mm，收縮變形為2mm。核心筒最大總變形34.0mm，其中彈性變形為20.7mm，徐變變形為11.7mm，收縮變形為1.6mm。巨型柱與核心筒間變形差在結(jié)構(gòu)底部、頂部很小，隨著結(jié)構(gòu)層增加，變形差出現(xiàn)三個相對最大值，兩個相對最小值，相對最小值發(fā)生在25層、40層。變形差曲線呈現(xiàn)該特征的主要原因是在25層、40層以及頂部附近有三道剛度很大的桁架層，約束了巨型柱和核心筒的相對變形，因此出現(xiàn)了變形差相對最小值，而在結(jié)構(gòu)底部采用了固接假定，故變形差為零。

5豎向變形調(diào)整方法

超高層建筑施工過程中，需要保證施工層的標高達到設(shè)計標高，進行施工平差處理，補償已發(fā)生的變形。施工中一般采用絕對標高控制，該方法施工測量人員不必精確知道補償值大小，只需要施工層滿足設(shè)計標高即可，其補償部分為施工本階段前完成結(jié)構(gòu)的豎向變形。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，制定施工平差方案：核心筒和巨型柱每5層調(diào)整一次，調(diào)整位置位于調(diào)整區(qū)段頂部，調(diào)整后結(jié)構(gòu)標高應(yīng)等于該層處結(jié)構(gòu)設(shè)計標高加上構(gòu)件的預(yù)拋高值。根據(jù)施工組織、進度選定了合理的施工速率，通仿真分析得到了巨型柱、核心筒豎向變形以及兩者的變性差異，給出了施工過程中構(gòu)件預(yù)拋高值和建議的施工平差方案。

6結(jié)語

以上海X2地塊超高層建筑為工程背景，運用風險管理模型，根據(jù)其先分類后識別的原則，將施工過程中可能導致風險的力學問題分為合理的施工速率以及由材料性能差異引起的結(jié)構(gòu)變形差的平差標準兩大類。設(shè)計技術(shù)的不斷進步，建筑外形越來越來新穎，結(jié)構(gòu)形式越來越不規(guī)則,涌現(xiàn)出了越來越多的大型復雜結(jié)構(gòu)建筑，給施工帶來了許多力學問題，從而產(chǎn)生了諸多不確定因素，因而埋下了風險隱患。運用風險管理技術(shù)對風險事件進行識別、評價、處置的方法已普遍應(yīng)用。計算機輔助技術(shù)的發(fā)展與進步，使得采用仿真技術(shù)模擬施工全過程，對關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)采取定量分析，預(yù)測可能發(fā)生的風險變?yōu)楝F(xiàn)實。

作者：李智單位：上海建通工程建設(shè)有限公司