第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 年 海南大厦主楼结构竖向变形分析 张雄迪，张付奎，任庆英 （中国建筑设计研究院，北京100044） 提要：海南大厦主楼为位于高地震区的复杂超限超高层建筑，主楼高为198.6m，地下4层，地上46层，结构 体系采用了钢管混凝土柱钢梁框架-钢筋混凝土核心简结构体系.
本文应用SAP2000，参考欧洲规范EC2关于混 凝土弹性模量变化、徐变和收缩的时变效应的规定，建立了考虑施工过程模拟有限元模型，分析了外框架柱与核 心简的竖向变形及差异.
同时对比一次性加载、不考虑混凝土时变效应的施工模报、考虑混凝土时变效应的施工 模拟三种分析中的变形差异，结构的非线性弹性变形的占总变形量的50%左右.
此外本文分析了伸胃桁架、防屈 曲支撑在考虑施工过程、混凝土时变效应下的内力情况，斜杆在恒加活荷载作用下由于墙柱竖向变形的差异产生 了较大的内力，在设计时应当予以重视.
关键词：超限高层，混凝土时变效应，竖向变形差异，斜杆内力： 1工程概况 海南大厦项目位于海南省海口市国兴大道北侧，新建海航大厦西部是一座集高端商业、高端写字楼于 一体的超高层综合体，总建筑面积24.4万m²，包括主楼、副楼及裙房，主楼、副楼为办公，裙房为高端 商业.
主楼46层，高198.600m，其中17层、31层、屋面为避难层，屋顶设直升机停机坪：建筑在地上 设防震缝分成2个结构单元，主楼为一个结构单元，副楼与裙房相连为一个结构单元.
建筑效果见图1（a）.
主楼选用了钢管混凝土柱钢梁框架-钢筋混凝土核心筒体系，结构平面、竖向布置简洁规则，以利于抗 震抗风，同时对主楼进行抗震性能化设计.
柱采用矩形钢管混凝土柱，核心筒墙体角部、框架梁支承处通 高设置型钢骨.
利用建筑避难层17、31层作为结构加强层，加强层采用整层的桁架方式，在框架柱与筒 体间设人字形斜杆，形成伸臂桁架.
同时沿外围框架柱间设腰桁架以尽可能加强结构的空间作用，发挥框 架柱的抗倾覆能力，见图1（b），楼面结构采用变截面蜂窝钢梁混凝土板体系，每跨间设1道次梁，典型 楼层结构布置见图2.
中 （a）效果图 (b）建筑剖面 图1海南大厦 图2典型楼层结构平面布置 张雄迪（1985-），男，硕士，工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2计算原理和分析方法 为了满足结构抗震性能的要求，本工程采用了带加强层的钢管混凝土柱钢梁框架-钢筋混凝土核心筒结 构体系，并且在外框架四个角部设置了防屈曲支撑，由于本工程层数较多，结构高度较高，并且处于高烈 度区，结构构件的尺度较大，结构自重较大.
为了研究结构在施工过程中，由于竖向荷载引起的结构变形， 以及外框柱与核心简的变形差，以及竖向荷载作用对结构中斜杆受力情况，为施工过程提供一定的指导意 见.
传统的结构设计方法是仅对使用阶段的结构在不同工况及其组合作用下的效应进行分析，结构一次性 建模，整体一次性加载，并没有考虑施工过程和时间效应的影响.
而实际上，在整个施工过程中结构是一 个时变体系，结构的材料参数、几何参数、荷载边界条件都随施工进程而改变，结构峻工状态的内力和变 形也是各施工步时间效应的累积结果，与施工过程和时间效应密切相关.
根据相关文献参考，对于超高层 结构，施工周期较长，竖向变形受施工过程和时间效应影响较大，按传统的分析方法进行变形分析显然不 合理，因此有必要对其施工过程进行跟踪模拟，对结构施工过程中的竖向变形规律进行研究，同时以便在 钢结构构件加工时提前预留变形量.
设计过程中对海南大厦施工中的竖向变形进行了系统的研究，本文给出了具体的计算模型和分析方法， 根据实际施工过程，应用时变结构离散分析方法，采用SAP2000对本工程基于混凝土材料考虑时变效应的 施工全过程模拟，将计算结果与传统计算方法和不考虑徐变的施工模拟结果对比.
3计算假定 1）假定混凝土材料的力学特性考虑收缩徐变作用.
混凝土收缩、徐变的时变效应参考EC2规范，在 计算中，采用等效弹性模量考虑混凝土弹性压缩和徐变产生的变形：采用等效温度降低的方法考虑混凝土 收缩产生的变形.
2）结构计算单元的产生和解除与相应的施工步骤一致.
以大约每4层为一组，把整个结构分成13个 不同的组，假定整个结构以组为单位向上施工；按照施工进度，取每组施工时间的中间时刻，计算出相应的 弹性模量、徐变、收缩；在计算混凝土随时间变化的弹性模量、徐变、收缩时，需要明确施工中材料、环 境条件、施工进度、施工顺序等情况.
下面根据实际情况和工程经验对此做出假定：a）核心筒剪力墙和钢 管混凝土柱中使用的水泥为快硬高强水泥：b）施工环境相对湿度取为80%：c）钢管混凝土柱的加载时龄期 取7d，核心筒剪力墙的加载时龄期取为15d，施工速度取5d一层：核心筒领先周边框架柱4层施工：d) 伸臂桁架、防屈曲支撑的施工顺序将根据斜杆在恒加活荷载作用下，尽量减少受力的原则确定其施工顺序.
就整个结构来讲，随施工的不断进行，其中组的弹性模量、徐变和收缩也不断变化，并且结构与荷载也是逐 个组向上施加，因此，按照施工顺序建立13个不同施工阶段的结构模型：这样，同一个组的竖向构件在不 同施工阶段的模型中有不同的弹性模量、徐变和收缩值，同时也实现了按照施工顺序加载计算结构的竖向 变形与差值以及由此引起的内力.
不同竖向构件的轴向压应力差异在结构模型中被自然考虑.
3）荷载的施加和解除应与相应的施工阶段一致.
结构整体分析的作用包括结构自重、附加恒荷载、 施工活载、风荷载、雪载、温度作用、地震等.
施工时恒载、附加恒载一起加上，考虑施工活载，使用活 载在结构封顶半年后一次性加上.
由于施工阶段相对结构整个使用寿命周期而言比较短暂，并且，在主体 钢结构安装过程中，风荷载对结构竖向位移贡献较小，因此仅仅考虑体结构自重、施工层活荷载，以及后 续施工中增加的建筑荷载.
其中施工荷载根据文献[7]取2.5kN/m2，幕墙荷载根据设计要求取1kN/m2.
4）由于地基不均匀沉降间题的复杂性，不考虑地基不均匀沉降对竖向变形差的影响.
这是偏于安全 的做法，因为核心筒的轴向压应力较小，其轴向压缩较小造成竖向变形小于周边柱的，但是由于其自重较 大，地基沉降量会较大，当基础的差异沉降控制在合理的设计范围内，可以减小剪力墙和柱的竖向变形差.
张雄迪（1985-），男，硕士，工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 4核心筒与外框柱间的竖向变形值及差异 按照前述的计算原理和施工情况，计算了海南大厦外框架及核心筒在结构投入使用时和使用两年后的 竖向变形量值和变形差.
在外框架与核心筒剪力墙中分别选取了对应3个点，见图2.
相应计算结果摘录 如图3所示.
55 受形 a)W1与C1 b)W2与C2 c)W3 与C3 图3核心简与外框柱楼层竖向变形及差异 通过图3可见结构的最大变形发生在中部偏上楼层，大约在30~35层附近.
当结构刚投入使用时，外 框架柱的最大竖向变形值约为35mm左右，墙体的最大竖向变形约为26mm，墙柱变形差约为9mm.
当投 入使用2年以后，由于混凝土构件收缩徐变等效应的发展，结构的竖向变形继续发展，外框架柱的最大竖 向变形值增加至52mm左右，墙体的最大竖向变形约为41mm，墙柱变形差约为12mm，发生的楼层与墙、 柱的最大变形的楼层位置相同，不均匀变形比为1/1002，属于结构可接受范围内，由于基础的沉降核心筒 的沉降量大于外框柱的沉降量，上部构件的竖向压缩变形差可以补偿抵消一部分基础沉降差.
此外，在施 工过程中，竖向构件会随着施工的进行而不断发生竖向变形，而建造单位需要实时测量正在施工的楼层标 高并且将其调整到设计标高.
上述数值可以作为核心筒内型钢柱和外框架柱在钢结构加工中的预估值，在 加工中提前预留好其竖向变形的压缩量，在实际施工中，施工方对每一节钢柱的长度进行了2mm~3mm的 长度修正.
5与一次性加载、不考虑时变效应施工分析结果对比 对本工程进行一次性加载、不考虑时变效应施工模拟分析、考虑时变效应施工模拟分析，对比三种分 析方法中结构竖向变形的差异.
图4显示了这三种分析方法的施工完成两年以后的墙柱沉降量以及差值， 通过对比考虑时变效应作用的施工模拟结果，可见结构的竖向变形量依次为不考虑时变效应施工模拟分析 的结果、一次性加载的结果、考虑时变效应施工模拟的结果.
其中一次性加载由于不考虑施工过程，结构 竖向变形分布呈现为逐层累积的一个结果.
考虑结构施工过程的分析结果结构竖向变形较小，是由于在计 算中考虑了结构在施工过程中的施工调整，逐层补偿至设计标高，从而出现了结构在中部楼层位置的竖向 变形最小.
考虑混凝土的时变效应，结构的竖向变形增大了近一倍，这是符合常规对于混凝土收缩徐变的 认识，此外由于混凝土收缩徐变的发展，墙柱的变形差也增加了近一倍，由于超高层建筑，往往设置了加 强层，这些楼层的刚度往往很大，在设计时应当充分考虑这部分沉降差引起的不利影响.
张雄迪（1985-），男，硕士，工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 ： 变形（ 图4不同分析方法竖向变形对比 6竖向变形对伸臂桁架的影响 施工到上一伸臂桁架层时再把下一加强层的伸臂桁架终固（施工顺序一）.本文根据上述施工过程，进行 模拟分析，并且对比了一次性加载、不考虑时效的施工模拟分析时的结构计算结果，详见表1.
分析计算 结果可以看到，采用伸臂桁架斜杆后安装，在不考虑混凝土的时变效应时，斜杆中的内力可以比一次性加 载降低不少，并且越是上部伸臂桁架，其内力可以减少很多.
但是由于实际中存在混凝土时变效应，结构 竖向变形继续发展，导致伸臂桁架斜杆内力增加很多，其中17层的伸臂桁架斜杆内力远大于一次性加载 分析的结果，31层的伸臂桁架斜杆内力略大于一次性加载分析的结果.
这一结果与之前的认识的预判不一 样，因此有必要改变伸臂桁架的斜杆的施工顺序，两层的伸臂桁架斜杆都在结构施工的最后阶段最终固接 （施工顺序二）.
根据计算结果可以看到斜杆在结构投入使用时内力很小，但是由于结构竖向变形的继续 发展，斜杆的内力不断的增加，最终结构的内力基本上与一次加载的数值相近，尤其是17层的伸臂桁架 的斜杆，较之施工顺序一，杆件内力降低近一半，因此应当优先考虑第二施工顺序进行施工.
表1伸臂桁架斜杆轴向力（kN） 楼层 17层 31层 结构封顶 3383 5698 一次性加载 活施加 3383 5698 使用两年后 3383 5698 结构封顶 1920 695 不考虑时效的施工模拟分析 活荷载施加 3224 2567 使用两年后 3224 2567 结构封顶 2663 1018 考虑时效的施工模拟分析（施工顺序一） 活施加 3918 2936 使用两年后 5667 6136 结构封顶 165 430 考虑时效的施工模拟分析（施工顺序二） 活载施加 1740 2823 使用两年后 3336 5602 此外通过施工模拟的分布计算结果可以推断，斜杆的内力主要是由于墙柱之间的竖向变形差引起的.
而对于超高层建筑往往需要应用伸臂桁架协同结构墙柱在地震下共同工作，以降低结构的侧向位移.
但是 设置了伸臂桁架会带来一系列结构问题，因而应当综合的考察伸臂桁架的利弊，设计中不要轻易设置，若 非要设置，优先采用有限刚度原则，尽量降低伸臂桁架带来的结构问题.
7竖向变形对防屈曲支撑内力的影响 张雄迪（1985-），男，硕士，工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 为了加大结构在中、大震中的结构耗能能力，本工程在外框架的四个角部设置了防屈曲支撑，类似于 伸臂桁架的斜杆，根据设计意图中，我们希望尽量减少支撑在恒加活的荷载作用下的受力，从面保证结构 在水平作用的受力储备.
因此，类似于伸臂桁架的斜杆的施工顺序，本文亦计算两种防屈曲支撑最终固结 的施工顺序：一、支撑构件在外框架施工至17层避难层以后，开始安装，安装进度同外框架的施工进度： 二、支撑构件在结构施工的最后阶段开始安装：斜杆的逐层的各阶段内力见图5所示.
独力 轴力() a）施工顺序一 b）施工顺序二 图5防届曲支撑分阶段逐层内力图 通过分析，由于混凝土的时效作用，结构的竖向变形使得支撑斜杆产生了一定内力，并且越是底部几层 内力越大.
结构在使用两年以后，中上部楼层的斜杆内力与选用何种施工顺序关系不大，但是当采用施工 顺序二时，结构的底部几层的斜杆内力基本上施工顺序一的二分之一.
在实际施工时应当优先选用施工顺 序二进行施工.
7结论 本文研究了超高层建筑海南大厦（钢管混凝土柱钢梁框架-钢筋混凝土核心筒体系）在竖向重力荷载下， 框架柱与混凝土筒体的竖向变形差异间题.
在分析过程中，考虑了混凝土的收缩和徐变，考虑了施工过程 的模拟，利用有限元程序SAP2000计算得出了以下结论： (1)通过计算，考虑了混凝土的时变效应、施工过程后，结构的最大竖向变形发生在中上部楼层处.
中补偿其竖向变形的压缩量.
(2）通过计算，考虑了混凝土时变效应、施工过程，结构变形规律与一次性加载的变形规律不一致.
结构构件由于收缩和徐变产生的非弹性变形占总变形的50%左右，增加了墙柱的变形差，应当在设计中 予以重视.
（3）通过计算，无论采用何种施工顺序，由于混凝土时变效应，结构的竖向变形将随着时间继续发展， 因而伸臂桁架的内力不可避免的存在，在设计中应当予以重视.
应当根据计算结果选择伸臂桁架斜杆的终 固时间及施工顺序.
（4）通过计算，同样由于混凝土的时变效应，防屈曲支撑与伸臀桁架斜杆类似，杆件都存在内力，底部 几层杆件的内力相对上部楼层内力要大很多.
当采用支撑构件在结构施工的最后阶段开始安装的施工顺序 时，底部几层杆件内力相对较小，在实际施工应当优先采用.
（5）通过计算，在竖向荷载的作用下，结构中的斜杆都存在较大内力，设计中不应该忽视这一部分不利 的影响，斜杆构件留有足够的余量以来抵抗水平作用.
参考文献 [1]高层混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2002. [2]海南大厦超限工程抗震设防专项市查报告[R]北京：中国建筑设计研究院，2010. 张雄迪（1985-），男，硕士，工程师
