装配式超高层钢混结构施工过程变形分析及控制.pdf

第 51 卷 2023 年 第 2 期广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTUREVol.51 No.2，2023装配式超高层钢混结构施工过程变形分析及控制装配式超高层钢混结构施工过程变形分析及控制吴本刚1，黄厚军1,2，张晓1,2，何炳泉1，汤序霖1（1.广州机施建设集团有限公司，广州 510725）（2.广州市建筑集团有限公司，广州 510030）摘要摘要：以某装配式超高层钢混组合结构建筑为研究对象，首先采用 ETABS 有限元软件进行建模并采用一次性整体加载分析工况和不考虑、考虑混凝土收缩徐变以及竣工时、竣工后 5 年、10 年的阶段施工模拟分析工况，对该结构进行了全过程施工变形模拟分析，结果表明：阶段施工模拟分析方法更符合实际，施工时间越长以及混凝土收缩徐变对结构变形有增大趋势，且竣工完成 5 年内的结构变形仍有较大的增长。然后，依据理论结果指导实践，形成装配式超高层建筑施工过程变形控制具体措施：预制钢构件采用 23 层为一吊与两台塔吊并行施工方式，加快施工进度来降低时间对变形的影响；采用水化热低的早强高强度混凝土，降低混凝土收缩徐变的影响；施工顺序宜采用在同楼层对称平行、在相邻楼层逆向安装方式，来控制工序误差引起的累积变形；预制构件节点连接宜采用先铰接再刚接的处理措施，来消除部分安装应力等的经验总结，为类似相关工程提供借鉴。关键词关键词：竖向变形；变形控制；施工模拟；装配式钢混结构；超高层建筑中图分类号中图分类号：TU393.2文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1671-2439(2023)02-064-04作者简介作者简介：吴本刚（1984），男，博士研究生，高级工程师，主要从事施工技术方面的研究，E-mail：。AnalysisandControlofDeformationDuringConstructionofPrefabricatedSuperHigh-riseSteel-concreteStructureWU Ben-gang1，HUANG Hou-jun1,2，ZHANG Xiao1,2，HE Bing-quan1，TANG Xu-lin1（1.Guangzhou Jishi Construction Group Co.Ltd.,Guangzhou 510725）（2.Guangzhou Construction Group Co.Ltd.,Guangzhou 510030）Abstract：Takingaprefabricatedsuper-high-risesteel-concretecompositestructurebuildingastheresearchobject,theETABSfiniteelementsoftwarewas first used for modeling and the structural deformation simulation analysis was conducted throughout the entire construction process usingone-timeoverallloadinganalysisconditions,withoutconsideringorconsideringconcreteshrinkageandcreep,aswellasstageconstructionsimulationanalysisconditionsat completionand5 and10yearsafter completion.Theresultsshowedthatthestageconstructionsimulationanalysismethodwasmorepractical,thelongertheconstructiontimeandtheshrinkageandcreepof concretehas anincreasing trendonthestructuraldeformation,and thestructural deformation within 5 years after completion still has a large increase.Then,according to the theoretical results to guide the practice,thespecific measures for deformation control in the construction process of prefabricated super-high-rise buildings were formed:prefabricated steelcomponents were constructed using 2-3 layers of one crane and two tower cranes in parallel to accelerate the construction progress and reduce theimpact of time on deformation;Using early strength and high-strength concrete with low hydration heat to reduce the impact of concrete shrinkageand creep;The construction sequence should be symmetrically parallel on the same floor and reversely installed on adjacent floors to control theaccumulateddeformationcausedbyprocesserror;Thetreatmentmeasuresofjointconnectionofprefabricatedcomponentsshouldbehingedfirstandthenrigidlyconnectedtoeliminatesomeinstallationstress.Theaboveexperiencesummarycouldprovidereferenceforsimilarrelatedprojects.Keywords：Vertical deformation;Deformation control;Construction simulation;Fabricated steel-concrete structure;Super high-risebuilding0前言前言传统的结构设计通过一次性建立模型并一次性整体加载，对结构在使用期间进行不同工况和组合作用的效应分析，而未对结构、材料、荷载的时变效应的影响进行考虑，因此会给分析结果带来一定的误差13。高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）规定复杂高层建筑结构和高度超过150m 建筑结构应该考虑施工过程的影响，并在结构基金项目基金项目：广州市建筑集团有限公司科技计划项目广州市建筑集团有限公司科技计划项目（2021-KJ004;2021-KJ021;2021-KJ037;2022-KJ032;2022-KJ025;2022-KJ013）-64-64-吴本刚等：装配式超高层钢混结构施工过程变形分析及控制分析时应对混凝土长期收缩徐变、地基沉降、施工调整等因素引起的竖向位移差和由其引起的结构附加内力进行考虑47。装配式超高层钢混组合结构是由预制钢构件拼装成稳定骨架并内充混凝土的一种新型结构形式，而超高层建筑在施工过程中由于诸多因素引起的变形会导致预制构件拼接安装的困难810。因此，本文试图针对某装配式超高层钢混组合结构考虑混凝土收缩徐变以及时间效应等因素进行施工过程变形仿真分析，并依据理论结果指导实践，形成施工过程变形控制具体措施的经验总结，以期对类似相关工程提供借鉴。1工程概况及施工难点分析工程概况及施工难点分析某超高层钢混组合结构高约 160 米，总共 36 层，主塔楼采用外包钢板混凝土剪力墙+钢管混凝土柱+U 型钢梁+叠合钢桁架楼承板的组合结构形式，实现了高层建筑中主体受力构件的全包钢，总用钢量接近 2 万吨，并最大限度减小初始设计核心筒混凝土剪力墙墙体厚度及柱体直径来实现高轴压和高延性的需求，减轻了原设计结构自重，从而降低了溶洞地区地基处理的难度和成本。在施工过程中，本工程通过 BIM 方式对钢构件进行拆分、深化设计及预先虚拟拼装，然后进行工厂加工+现场装配化吊装的方式来实现，并且由于结构构件都为外包钢形式，从而避免了传统支模+浇筑混凝土的施工方式，提高了现场文明施工程度与经济效益。然而，超高层钢混组合结构装配化施工也有钢构件自重大、吊装难度高、施焊困难以及施工过程中的结构自重或焊接引起的结构变形等影响拼装的难点。2施工过程变形模拟分析施工过程变形模拟分析在本工程 ETABS 有限元软件建模时，混凝土强度等级为 C30（1936 层）与 C60（118 层），钢结构使用 Q345。为了评估自重对结构自身的变形影响，认为在地基基础施工完毕后，沉降已经全部完成并对上部结构的位移不造成影响，即通过约束模型底部节点 6 个方向的自由度为固端约束，将初始相对位移设为零。本工程竖向柱构件两端设为固接，水平梁单元设为铰接。对于剪力墙结构均采用壳单元来模拟，对于楼板结构则采用只有平面内刚度的膜单元进行模拟。荷载加载模式按规范取结构自重与楼面活载的组合形式。本工程为外框架-核心筒组合结构，混凝土用量非常大，混凝土收缩徐变在施工过程中容易产生一些不利影响：1）混凝土长期收缩徐变且其变形随时间非线性变化，因此会使得核心筒或者外框柱发生较大的竖向变形。2）由于核心筒和外框钢筋混凝土组合柱的材料类型及用量不同，故二者因收缩徐变造成的竖向变形也不一样，收缩徐变变形将使得结构产生比弹性变形更大的竖向变形差。3）收缩徐变使得结构产生较大变形差，水平连接构件也将随时间逐渐产生次生的内力。综上所述，混凝土长期收缩徐变效应的影响较大，并与时间相关，从而混凝土收缩徐变在超高层结构施工过程中不可忽视。国外应用较多的混凝土收缩徐变计算模式包括：CEB-FIP 模式、B-P 模式、ACI209 模式和 GL2000模式，国内有建科院模式（1986）11。本文混凝土徐变和收缩模式主要采用 CEB-FIP 90 模式，取水泥类型系数为 0.2，水泥种类系数为 5，相对湿度为 70%，收缩开始龄期为 3d，拆模时间为 7d。有限元软件 ETABS 中施工阶段模拟功能（如图1 所示，按实际构件高度沿着竖向拆分 19 步）用来模拟结构在施工期间的结构刚度、质量以及荷载等的不断变化的过程。软件对每个施工阶段分析一次，每次分析又是在上一次分析结果的基础上进行的，是一个静力非线性的分析过程。全过程阶段施工模拟分析能较准确地了解施工期间及使用阶段建筑结构的变形和内力变化情况，能够对结构施工标高找平及预制水平钢构件安装误差提供反馈意见。考虑收缩徐变的因素，进一步探讨结构施工完毕后 5 年、10 年的竖向变形的模拟分析结果，对结构在使用阶段的安全运营也有十分重要的参考价值。(a)施工步施工步 1：底层核心筒底层核心筒(b)施工步施工步 4：裙楼封顶裙楼封顶（6 层层）(c)施工步施工步 11：塔楼塔楼 20 层层(d)施工步施工步 19：塔楼塔楼 36 层层图图 1 主要阶段施工模拟示意图主要阶段施工模拟示意图-65-65-广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE2023 年 第 2 期图 2 给出了考虑收缩徐变的阶段施工分析、不考虑收缩徐变的阶段施工分析、一次性整体加载分析等三种工况的竖向位移对比曲线，结果表明：整体一次加载工况的竖向位移呈指数增长；阶段施工分析工况，核心筒剪力墙和外框钢管混凝土柱的竖向位移均发生了较大的增长，但随着楼层的增加，楼层的最大竖向位移没有发生在施工结束的顶层，而是在施工期间的中间楼层，楼层竖向位移曲线大约呈“鱼腹型”，即中间楼层竖向位移大，底部和顶部楼层的竖向位移小，这是由于每次阶段施工分析位移需要找平以及低于该阶段施工楼层的竖向变形叠加结果所导致的，并且符合实际施工工况；考虑收缩徐变工况的竖向位移大于不考虑收缩徐变工况；整体一次加载分析工况的竖向位移差是最大的。(a)核心筒竖向位移核心筒竖向位移(b)外框柱竖向位移外框柱竖向位移(c)核心筒核心筒-外框外框柱的竖向变形差柱的竖向变形差图图 2 不同不同工况工况竖向位移对比曲线竖向位移对比曲线图 3 给出了考虑收缩徐变的阶段施工分析竣工时、竣工 5 年、竣工 10 年等三种工况的竖向位移对比曲线，结果表明：主体结构施工完成后，竖向变形随时间递增而变大，并且由于位移叠加效应，越往高层的竖向位移增长越快；竖向位移差随时间递增而变大，施工过程有必要考虑相对位移差对预制钢构件安装的影响以及安装误差所引起的应力集中现象。(a)核心筒竖向位移核心筒竖向位移(b)外框柱竖向位移外框柱竖向位移(c)核心筒核心筒-外框柱的竖向变形差外框柱的竖向变形差图图 3 不同时段竖向变形对比曲线不同时段竖向变形对比曲线3施工过程变形控制施工过程变形控制依据本工程结构特点，塔楼标准层施工流程可以划分为：钢板剪力墙安装外框钢柱及钢梁安装钢管柱、钢板剪力墙混凝土浇筑钢桁架楼承板安装钢桁架楼承板面钢筋绑扎钢桁架楼承板面混凝土浇筑楼梯及其他附属钢筋混凝土结构浇筑。根据本工程的变形仿真模拟分析结果，施工时间越长对结构变形具有累积效应，因此针对剪力墙或钢柱的吊装，通过优化构件的拆分，充分利用塔吊的吊运能力，核心筒钢板剪力墙由原来的 1 层一吊改变为 23 层一吊以及采用两台塔吊来加快施工进度，进而减少因变形累积和现场焊接工作量来降低构件拼装的难度。另外，在核心筒钢板剪力墙和外框梁柱的吊装过程中，采用两台塔吊在同楼层对角平行安装以减少构件自重带来的偏移变形以及上-66-66-吴本刚等：装配式超高层钢混结构施工过程变形分析及控制下相邻楼层逆向安装来减少工艺误差变形（如图 4所示）。最终，塔楼结构仅用了 7 个月就完成封顶，具有显著的经济效益。图图 4 两台塔吊及对角吊装顺序两台塔吊及对角吊装顺序如图 5 所示，核心筒钢板剪力墙通过内置钢柱和设置拉条、加劲肋的形式将型钢和混凝土有机地组合，并采用分幅分段拼装与分层退焊施工工艺，减少大型构件焊接残余变形，保证焊接质量。根据本工程的变形仿真模拟分析结果，混凝土收缩徐变对结构变形有较大影响，因此混凝土应尽量采用高强度混凝土以及降低水灰比与快硬水泥的方式来控制收缩徐变变形。并且，由于本工程钢板剪力墙和钢柱 23 层的拆分方式增加了筒内或柱内混凝土浇筑的高度，为避免浇筑过程中的过大侧压力及混凝土离析的情况发生，采取在钢板剪力墙设置工艺孔以及引流的方式并加强振捣，保证了混凝土的施工质量。另外，针对大型钢箱转换桁架或钢梁提出一种先铰后刚的后焊节点施工方法，通过在施工过程当中对安装应力的合理释放，来降低结构变形。图图 5 钢板剪力墙及施工工艺孔钢板剪力墙及施工工艺孔4结论结论通过对某装配式超高层钢混组合结构的施工变形仿真模拟分析，可以发现施工时间越长以及混凝土收缩徐变对结构变形有增大趋势，且竣工完成 5年内的结构变形仍有较大的增长。因此在实际工程施工过程变形控制的实践中，建议如下：（1）在预制构件拆分方面：应注意使竖向构件在重力荷载下压应力水平相等或接近，减小自重不均引起的偏移变形，并控制竖向构件在安全范围内接近塔吊最大吊重，使预制构件具有最大整体性，减少现场焊接工作量大引起的质量问题。（2）在施工措施方面：采取合理并行或流水施工的方式，加快施工进度；采用水化热低的早强高强度混凝土，降低混凝土收缩徐变的影响；施工顺序宜在同楼层对称平行、在相邻楼层逆向安装，来控制工序误差引起的累积变形；采用退焊工艺，减少焊接变形；外钢框架与核心筒之间的连梁或转换桁架可以先与核心筒铰接连接，静置一段时间等消除了部分竖向位移差引起的安装应力后再刚接处理。参参 考考 文文 献献1吴本刚,吴玖荣,傅继阳,等.广州珠江城超高层大厦施工过程力学分析J.广州大学学报(自然科学版),2012,11(02):36-42.2韩龙,田稳苓,荣恰,等.高层钢结构施工阶段实时监测及模拟分析J.空间结构,2016,22(02):72-80.3 Yuan Z,Sun G,Wu X,et al.Research on vertical defor-mation and predeformation control of three-tower con-nected super high-rise structure during constructionJ.TheStructural Design of Tall and Special Buildings,2022,31(4):13-19.4贾红学,张旭乔,冯俊,等.超高层结构考虑钢管混凝土柱收缩徐变影响的施工模拟分析J.建筑结构,2019,49(S1):519-523.5李志强.南宁天龙财富中心考虑混凝土收缩徐变的施工模拟分析J.建筑结构,2018,48(01):21-25.6刘青锋,郑淳,苏仁智,等.带复杂转换层的框架核心筒高层 建 筑 施 工 监 测 技 术 应 用 J.广 州 建 筑,2022,50(01):30-37.7 Ma L,Bai Y,Zhang J.Vertical deformation analysis of ahigh-rise building with high-position connectionsJ.TheStructural Design of Tall and Special Buildings,2020,29(15):17-27.8霍剑雄,吴辽.超长混凝土框架结构考虑收缩徐变的施工过程分析J.施工技术,2018,47(14):128-130.9韩万鑫,李鸿晶,伍小平,等.某超高层建筑施工过程竖向变形分析J.建筑施工,2022,44(04):823-826.10冯跃,张显来,刘占省,等.超高层建筑施工过程中竖向变形分析J.建筑技术,2018,49(07):754-757.11吴玖荣,吴立友,梁强武.竖向布置沿高度内缩的某超高层建筑施工模拟分析J.建筑结构,2020,50(05):71-76+49.-67-67-