核心筒-巨型拱拉索结构施工模拟分析及监测

1工程概况

趣店科技金融创新园区项目主体工程1号楼（图1）由8个竖向钢筋混凝土核心筒+大跨度钢结构组成，结构外轮廓尺寸为139?m×139?m，上部结构为9层，其中1~2层通高为15.3?m，结构总高度约45?m；大跨度钢结构采用水平钢梁+巨型拱+吊杆+预应力拉索作为主要受力构件，楼面荷载通过钢梁传递至各层吊杆，吊杆向上传递至巨型拱及预应力拉索，然后传递至相邻核心筒；核心筒采用C60混凝土，巨型拱及主钢梁为焊接箱形钢截面，材质主要为Q460（GJC），预应力钢拉索为125?mm，材质为高钒镀层索，抗拉强度不小于1?670?MPa，吊杆为圆形钢柱，材质为Q460（GJC），直径为150~325?mm；普通钢梁为工字型钢，材质为Q345B。

图1?趣店科技金融创新园区项目主体工程1号楼

2?施工过程概述

项目典型剖面如图2所示，施工时，在平面位置搭设钢结构胎架及支撑体系，首先施工第3层结构钢梁，然后继续搭设相应钢结构胎架与支撑体系，施工第4层钢梁，依次按此施工至屋顶层，将巨型拱施工完成后，对7层楼面处预应力拉索施加40?%设计张拉力，预应力拉索分为上、下两层，每层两个预应力拉索，每个拉索设计张拉力为5?000?kN；后续拆除所有钢结构胎架及支撑体系，浇筑第3~7层结构楼板，将预应力拉索施加100?%张拉力，继续浇筑第8层至屋顶层结构混凝土。

图2?项目典型剖面示意

3?施工过程模拟

3.1?有限元模型建立

采用SAP2000软件建立项目整体结构模型，核心筒墙体采用壳单元，钢梁、吊柱及巨型拱采用梁单元，其中吊柱仅考虑受拉承载能力，预应力拉索采用索单元，软件通过对象组方式进行构件添加、删除及荷载的施加等计算，项目有限元模型如图3所示。

图3? 项目有限元模型

在下往上施工过程中，现场实际采用钢结构胎架支撑，计算分析时，采用对各层楼面节点增加竖向支座的方式进行模拟。

3.2? 监测点及监测频率的确定

本项目与传统的建筑不同，传统建筑荷载一般为从上往下逐层传递楼面荷载，本项目楼面荷载通过吊杆逐层向上传递至巨型拱及预应力拉索，然后传递至相邻核心筒，最后通过核心筒传递至基础，因此第3 层楼面的变形因为累积了其他各层竖向变形而最大，在第3层楼面选择均匀对称的24个位置作为监测点，如图4所示。

图4?项目变形监测点

3.3?计算结果与实测结果的比较

依据施工阶段，对整个计算结果分成两个步骤计算分析，第一步骤为阶段1~阶段9，此部分为卸载阶段，主要分析结构在临时支撑拆除时结构的竖向位移，第二步骤为阶段10~阶段17，主要分析结构在逐层施工、逐层加载过程中结构的竖向位移，此步骤位移扣除掉第一步骤的卸载位移，实际监测时同样按此两个步骤进行数据采集及处理。

首先得到第一步骤阶段1~阶段9的竖向位移结果，考虑到阶段1~阶段8施工时，结构整体临时支撑未拆除，结构竖向位移基本可以忽略不计，因此卸载时各点的位移等于计算模型阶段9的竖向位移，各监测点的实测值与计算值结果如图5所示。

图5?阶段9实测值与计算值

卸载时各监测点计算结果与实测结果基本吻合，在监测点10、18处位移最大约25?mm，该监测点处在4层及5层为楼板大开洞，竖向结构跨越2层，在4、8、12、18处竖向位移约12~15?mm，此4个监测点位于结构四边外弧形角点处，跨度较大，这些位置变形均相对略大，其他各点变形均较小，大部分监测点实测值比计算结果变形要大，测量值与计算结果均能基本反映实际结构的受力特性。

最后分析计算得到阶段10~阶段17各个监测点的竖向位移，在施工过程中，对监测点各个阶段的位移进行定期监测，各阶段监测点的实测值与计算值如图6、图7所示。

图6? 阶段10~阶段13实测值与计算值

图7?阶段14~阶段17实测值与计算值

监测点实测值与计算值均表明，随着3~9层混凝土逐层浇筑，监测点的竖向变形逐渐增大，从3~8?mm逐步增大至15~30?mm，符合力学基本假设；所有监测点整体变形均较小，远未达到规范限值要求；在大部分测点上，计算值与实测值数据均吻合较好，监测点10及监测点18在阶段10~阶段11有差别，该监测点处在4层及5层为楼板大开洞，存在刚度突变，导致计算结果与实际变形有某些误差，但均在合理范围之内。

4?结论

在民用建筑领域，对核心筒–巨型拱拉索结构体系应用相对较少，通过对趣店科技金融创新园区项目主体工程1号楼的全过程施工模拟分析及现场监测结果对比，得到如下结论。

（1）索单元具有非线性的特性，软件能可靠有效模拟拉索的受力性能。（2）对拉索进行两阶段张拉施工能满足设计要求。

有限元的计算结果整体与现场监测数值吻合，有限元模型基本可靠合理，有助于对类似结构的施工进行全过程指导。现场各监测点实际变形较小，满足规范设计要求，可以供设计进行参考。