1、第2 5卷第3 期2023年6 月文章编号：1 0 0 8-3 8 1 2(2 0 2 3)0 3-0 1 4-0 5超高层钢结构施工优化的数值模拟研究辽宁省交通高等专科学校学报JOURNAL OF LIAONING PROVINCIAL COLLEGE OF COMMUNICATIONSVol.25 No.3Jun.2 0 2.3于立福（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津市3 0 0 3 50）摘要为进一步提高超高层钢结构的施工质量，依托某超高层钢结构，通过有限元分析软件MidasGen建立数值模型，分别探讨加强层伸臂桁架连接时间和超高斜柱预调施工技术，并根据结果进行优化。从结果看：在结构
2、封顶后再最终固接伸臂桁架有最优变形和应力，且应尽可能延固接时间；应使用正装选代法计算超高层斜柱预调值，且在选代计算误差符合收敛条件后即可取得预调值。关键词超高层钢结构；有限元模拟；施工优化；建筑工程中图分类号：TU9741引言超高层建筑是指建筑高度大于1 0 0 m的建筑。超高层建筑可有效缓解城市用地紧张问题，已成为建筑行业主要发展对象，且已有较多研究。如朱渊探讨了超高层建筑斜交网络结构的施工方案1；周康等人2 探讨了超高层建筑加强层架施工技术；段海等人探讨了伸臂桁架施工应力问题，有效确保了结构整体抗侧性能3 。从现有研究看，人们多集中探讨超高层建筑的一般施工技术，而较少对其构件施工加以优化，
3、尤其是针对伸臂桁架固接时间和斜柱预调值的优化。因此，应降低结构应力及位移误差，提高施工质量，本文将以某超高层钢结构塔楼为基础，从其伸臂桁架固接时间和斜柱预调值出发，探讨超高层钢结构施工优化措施。2有限元建模2.1工程概况某超高层钢结构塔楼的矩形混凝土核心筒尺寸为1 6.5mx29.1m，收头于3 3 3.5m。外框钢结构包括钢管混凝土、柱矩形角柱及东西立面斜交网络结构，于56 层和2 4 层设有环带桁架+伸臂桁架组成的加强层【4 。核心筒通过工字钢梁连接外框筒，两者间铺设有钢筋桁架板。（1）钢管混凝土角柱塔楼外框架2 5层以下，每层设有9 根圆管柱和4 根田字形角柱。其中，东面田字形倾斜至收稿
4、日期：2 0 2 3-0 2-1 2作者简介：于立福（1 9 7 9 一），男，内蒙古赤峰人，工程师。研究方向：土木工程。14文献标识码：A外侧，约9.4 5；2 5层以上，倾斜柱复原成垂直形，角柱截面由田字形转变为日字形，且每层设有8 根圆管柱及4 根日字形角柱；4 1 层以上，日字形角柱倾斜至内侧，约3.2。田字型柱截面尺寸最大为2 50 0 mx2000mm，板厚尺寸最大为60mm。圆管柱最大壁厚为4 0 mm，最大直径1800mm、最小板厚为2 0 mm，最大直径1 0 0 0 mm。（2）连梁与加强层桁架竖向柱与竖向柱间、核心筒与钢框架间所用连接梁为工字形型钢梁，所用材料为Q420。
5、外框横梁从1 至1 0 层截面高1 0 0 0 mm，从1 1 至2 4层截面高8 0 0 mm，从2 5至顶层高6 0 0 mm。核心筒和钢框架间所设连梁共有两种截面，尺寸分别为6 0 0 mm和50 0 mm。56 层和2 4 层间设有加强层。加强层南北面设有环方管斜柱式的环带桁架及四榻伸臂桁架，具体见图1。56层伸暂桁架24层伸臂桁架图1 2 4 层、56 层加强层架示意图第3 期2.2有限元模型通过Midas/Gen建立如图2 所示数值模型。建模时，以梁单元模拟梁柱、以墙单元模拟核心筒剪力墙。所建模型共1 6 3 0 4 个单元数。内筒刚接至钢结构外框，铰接至混凝土核心筒，而核心筒与钢
6、外框则刚接至大地。于立福：超高层钢结构施工优化的数值模拟研究天保存结果单元边界1519设定施工阶段施工阶段助段名称持续时间；添加子步浆时间：。(1,3,7,14)自动生成步辣数：。国自动生成步媒纯化重新分配天单元内力21组列表名称核心简结构组1 3核心简结构组3 3核心商结构组2 3核心简结构组4 3添加编辐天添加余步骤天100组列表名称余添加重分配率编辐确认取消适用图3 施工阶段设置3钢结构施工优化3.1伸臂桁架固接时间优化为控制伸臂桁架应力，加强层施工时，先通过销栓固定核心筒与伸臂桁架（铰接），再通过图2 有限元模型数值模拟确定合适的焊死时间（固接）。(1)固接方案(1）混凝土时变性共拟定
7、三种固接方案，具体为：以CEB-FIP（1 9 9 0）分析模型考虑模型混凝方案一：随层固接。2 4 层或56 层施工时随土，以3 d作为初始龄期，设置7 0%环境相对湿机固接伸臂桁架；度，混凝土构件理论厚度1 0 0 0 mm。方案二：错层固接。56 层施工时再固接2 4(2）荷载情况层伸臂桁架，封闭结构顶层时再固接56 层伸臂活荷载为2 KN/m；风荷载为0.4 5KN/m；抗桁架；震设防烈度为7 度，0.0 5阻尼比。方案三：封顶固接。封闭结构顶层后再固接(3）边界条件24层和56 层伸臂桁架。通过连系梁连接外框和内筒，连系梁刚接至(2）计算结果分析钢结构外框、铰接到混凝土核心筒，核心筒
8、在与不同施工阶段下，第一道伸臂桁架应力极值钢外框形成整体后刚接到大地；加强层伸臂桁架如图4 所示。延迟连接到核心筒，具体以优化结果为准。应力极值/MPa(4）施工阶段设置5045通过Midas/Gen施工分析功能分析所建模403530型，为提高分析速度，以阶段激活法分区激活，25即以若干结构层为一组，各施工阶段下激活对应2015区域，一个施工区包括4 层钢结构外框，按核心105筒领先层数划分施工阶段。0cs8cs9cs10cs11cs12cs13cs14cs15cs16cs17cs18cs19cs20cs21cs22按照施工阶段设计，划分结构整体为2 0 个结构柱，并定义对应荷载组。共分成2
9、1 个施工阶段。在各施工阶段激活对应边界组、荷载组及结构组，具体见图3 所示。+方案一+方案二方案三施工阶段图4 2 4 层伸臂桁架应力极值曲线从结果看，方案一有1 3.2 MPa初始应力极值，方案二和方案三则有约5.3 0 MPa初始应力极值，因此，从应力角度看，方案一应力更大，即随层固接的结构受力明显大于铰接方案；此外，第1 4 个施工阶段时，方案二和方案三分别有.15辽宁省交通高等专科学校学报18.85MPa和1 1.3 4 MPa应力极值，从曲线趋势应力值/MPa35看，桁架最终连接时间越早则应力极值越大。因30此，越迟固接伸臂桁架所得应力极值越小，若现2520场条件允许且不影响结构性
10、能时，应采用封闭结15构顶层后再固接两道伸臂桁架的方案三。105（3）方案侧向荷载验算0es8 cs9 cs10 csll s12 es13 cs14 es15 es16 es17 cs18 cs19 cs20 cs21 es22前期设计时，伸臂桁架直接固接到核心筒。而优化方案中，伸臂桁架先铰接到核心筒，在封顶后再固接，因此，验算优化方案抗侧性能有其必要性。按方案三的要求，以随施工层铰接作为模型边界条件，在结构封顶后再刚接。模型基本参数为：0.4 5KN/m侧向荷载，类地震荷载，7 度设防烈度。从计算结果看，风荷载作用下有1/983X向和1/59 5Y向最大位移角，地震荷载作用下有1/1 4
11、3 4 X向和1/1 3 6 6 Y向最大位移角，均小于1/550层间位移角限值。因施工阶段附加荷载较小，因此结构整体自振周期小，第一模态、第二模态和第三模态周期分别为6.8 3 s、6.4 8 s 和3.12s，结构满足抗震要求。(4）现场实测为验证模型准确度，通过光纤光栅应变传感器现场监测伸臂桁架应力变化规律。为使所监测施工阶段尽可能多，选择以较低层的2 4 层伸臂桁架为研究对象。为确保数据准确度，在2 4 层加强层四道伸臂桁架内侧斜柱上布置监测点5，具体如图5。各测点应力模拟和现场监测数据对比见图6。图5现场监测点布置162023年+：#1 模拟值#1 实测值施工阶段(a)测点1应力值/
12、MPa#2模拟值直一#2 实测值4035302520151050Cs8 cs9 cs10 cs11 cs12 cs13 cs14 cs15 cs16 cs17 cs18 cs19.cs20 cs21 c322应力值/MPa4035302520151050cs8 cs9 cs10 cs11 cs12 cs13 cs14 cs15 cs16 c17 cs18 c319 c320 cs21 cs22应力值/MPa#4模拟值+#4 实测值35302520151050c88 cs9 cs10 cs11 cs12 cs13 cs14 cs15 cs16 cs17 cs18 cs19 c820 c321 c
13、322图6 伸臂桁架模拟与实测应力值曲线图从四道伸臂架应力发展规律看，四道伸臂桁架内侧应力发展趋势基本一致，均为拉应力且均从5MPa逐渐上升至3 5MPa，即延长固接方案可有效减小伸臂桁架应力。桁架应力前期波动较大，在6 9-7 2 层混凝土核心筒和6 1-6 4 层钢结构外框施工时趋于稳定，整体上表现为线性发展趋势。现场监测值和数值模拟结果较为接近，且现场监测值小于伸臂桁架承载性能。3.2斜柱预调值优化（1）斜柱横向位移模拟计算通过有限元软件模拟结构施工时的横向位施工阶段(b)测点2#3模拟值一#3 实测值(c)测点3(d)测点 4施工阶段施工阶段JZ1第3 期移，从结果看，结构X向横向位移
14、较小，且分布均匀，南面中上部有1 5mm最大值；Y向横向位移较大，且分布不均，东面斜柱应力集中且有73mm最大值。进一步分析东面角柱和斜交网络Y向位移可知，角柱倾斜转角处位移最大，且因角柱Y向倾斜角度9.50，因而结构有较大横向位移。综上可知，为确保结构安全，需预调优化倾斜柱JZ1。(2）预调计算过程通过正装迭代预调分析计算得到的斜柱预调结果见表1。表1 预调计算的u(i）值uiX向位移值/mmu(2)0层010层44.8120层72.4730层62.3640层39.0450层23.5160层5.7070层-1.6680层-3.96注：表中u为自重和施工荷载下斜杆第i次迭代变形。从结果看，随着
15、层数不断增高，斜柱水平位移初期先上升，在2 0 层时（即倾斜柱和垂直柱相连转角处）达到最大值后不断减小，在6 0 层保持最终稳定，并逐渐转变为负值。斜柱预调计算过程如图7 所示。位移值/mm第一次预调1+第二次预调245403530252015105001020304050607080图7斜柱预调过程于立福：超高层钢结构施工优化的数值模拟研究斜柱第i次迭代变形。）(3）对比监测位移按数值模拟结果，在现场预调优化斜柱JZ1。因50 层以上预调值较小，可不考虑，因此主要预调优化1-50 层倾斜部分，其中，2 0-3 0 层间柱按设计要求保持垂直，1-2 0 层斜柱预偏安装。为监测优化结果，在JZ1
16、柱1-50 层布设监测点，如图8 中A点。U(3)0021.3021.1335.6935.4023.4023.156.496.490.540.53-1.21-1.20-2.33-2.32-1.85-1.83楼层建立有限元模型，分别对伸臂桁架延迟连接时间及斜柱安装预调加以优化，并进行现场实地监测，通过对比模拟数据验证了优化的效果，证明.17图中，,=lu(2)-u()I，2=l u(3)-u(2)。第一次迭代时，较大，因而需第二次迭代，第二次迭代时，在1 mm以下，因此结束计算，最终预调值为u(2)。v-u(2)为JZ1初始位移变形，按v-u(2)计算即可得安装和加工位移变形结果。（v为斜杆设计位移变形要求，V-u(i)为自重和施工荷载下图8 1-50 层测点布置在预调层施工时，通过全站仪监测该层垂直柱和斜柱间长L，完工后再次测量垂直柱和斜柱长度，计算即可得到Y向变形测量值，具体见表2。表2 预调计算结果与实测结果对比楼层5层1 0 层2 0 层3 0 层4 0 层50 层相对Y预调10.55 21.3035.72 23.41向位移计算值值/mm实测值11.31 22.40 34.85
