一种面向超高层建筑竖向预变形控制的精细化评估方法与流程

1.本发明涉及超高层建筑施工技术领域，特别涉及一种面向超高层建筑竖向预变形控制的精细化评估方法。


背景技术：

2.在高度超过300m的超高层建筑施工中，普遍存在控制竖向预变形的需求。混凝土核心筒在自重、压力荷载以及收缩徐变等因素影响下，会出现较大的竖向变形，导致其最终层高和标高均无法达到设计值，在不采取预先竖向变形补偿的情况下，超高层建筑实际施工完成的顶部高程与设计高度相差约50cm左右；同时，由于包围在混凝土核心筒外部的钢结构外框架(其作为超高层建筑的外部围护，一般用于承载幕墙)自重较低且不存在收缩徐变的情况，因此，钢结构外框架相对于混凝土核心筒会产生较大的竖向差异变形，导致两者之间横向桁架层的横向联系杆件存在较大的次内力，影响其功能的发挥。
3.为减少混凝土核心筒和钢结构外框架之间的竖向差异变形，进行科学、合理的竖向预变形补偿是有价值且有必要的。然而，目前对于竖向差异变形补偿机理的研究尚不明确，工程人员无法有效确认竖向预变形补偿在横向联系杆件上的差异性变形情况，进而无法针对性地对横向联系杆件的施工时间进行判断，影响超高层建筑竖向变形控制的准确性。


技术实现要素：

4.针对现有超高层建筑的竖向变形控制方法，无法针对性地判断每层横向桁架层中横向联系杆件的施工时间，影响超高层建筑竖向变形控制的准确性的问题。本发明的目的是提供一种面向超高层建筑竖向预变形控制的精细化评估方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向超高层建筑竖向预变形控制的精细化评估方法，步骤如下：
6.s1:建立超高层建筑混凝土核心筒的有限元模型，并对其施工过程进行有限元分析，得到混凝土核心筒受自重、混凝土材料收缩徐变两个因素引起的竖向变形的理论补偿值之和；设超高层建筑具有n个横向桁架层，将底层至第一横向桁架层之间的各楼层设为第一监测单元，第二横向桁架层和第三横向桁架层之间的各楼层设为第二监测单元，
…
，依次类推，n个横向桁架层将超高层建筑划分为n+1个监测单元；
7.s2：根据步骤s1得出的竖向变形的理论补偿值，由下至上对第一监测单元的各楼层进行竖向变形补偿，第一横向桁架层内所有横向联系杆件的两端分别与混凝土核心筒、钢结构外框架铰接连接，在混凝土核心筒受自重引起的竖向变形充分发挥之后，实时监测第一横向桁架层的高程，以及横向联系杆件上翼板和下翼板的应力变化，将横向联系杆件的两端与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点进行临时固定，以横向联系杆件的弯曲内力指标最接近零的时刻作为其最优封闭固结时间；
8.s3:在竖向变形的理论补偿值较大的情况下，横向联系杆件整体呈现向下弯曲的
状态，将横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点的临时固定转为永久封闭固结；在竖向变形的理论补偿值较小的情况下，横向联系杆件整体呈现向上弯曲的状态，松开横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架之间的临时固定，使横向联系杆件两端重新回到自由转动状态并释放次内力之后，再将横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点转为永久封闭固结；
9.s4:重复上述步骤s2和s3,由下至上依次对其余n个监测单元各楼层进行竖向变形补偿，并将每个横向桁架层内的所有横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点进行永久封闭固结。
10.本发明的面向超高层竖向预变形控制的精细化评估方法，通过对超高层建筑混凝土核心筒施工过程进行有限元分析，得到混凝土核心筒受自重、混凝土材料收缩徐变两个因素引起的竖向变形的理论补偿值，通过横向桁架层将超高层建筑划分为多个监测单元，由下至上对每个监测单元的各楼层进行竖向变形补偿，实时监测每个监测单元顶部横向桁架层内所有横向联系杆件应力变化的时程数据，以横向联系杆件的弯曲内力指标最接近零的时刻作为横向联系杆件的最优封闭固结时间，在最优封闭固结时间之前，横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架之间均为铰接连接，便于松开横向联系杆件与两者的连接，使其两端重新回到自由转动状态并释放次内力，横向联系杆件呈最优内力状态下，再将横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点进行永久封闭固结；该面向超高层竖向预变形控制的精细化评估方法，能够对各横向桁架层内所有横向联系杆件的最优封闭固结时间进行准确判断，有效提升了超高层建筑施工阶段竖向预变形的控制效果，提高了超高层建筑竖向变形补偿的精益化水平，而且，该方法步骤操作简单，降低了施工成本。
11.进一步的，它还包括步骤s5：所述横向联系杆件永久封闭固结后，若所述横向联系杆件弯曲内力指标持续降低且不收敛，重新解除所述横向联系杆件两端的固定约束，在释放次内力后，再次将所述横向联系杆件进行永久封闭固结。
12.进一步的，所述步骤s4还包括：在要求提前所述横向联系杆件的最优封闭固结时间时，竖向变形实际补偿值应低于最优补偿值，其中，最优补偿值设定为理论补偿值的1～1.5倍。
13.进一步的，所述步骤s4还包括：在要求永久封闭固结后的横向联系杆件的内力状态为最优时，竖向变形实际补偿值应低于最优补偿值，其中，最优补偿值设定为理论补偿值的0.6～1倍。
具体实施方式
14.超高层建筑的混凝土核心筒采用高强度混凝土建造而成，由于自重压缩、混凝土材料收缩徐变的影响，混凝土核心筒的竖向变形将在较长的时间段内持续缓慢变化，最多持续到超高层建筑结构封顶后的5年～10年才能最终完成。根据现有经验，一般超高层建筑竖向变形补偿的最大值位于中间层，补偿值量级大概在30cm～40cm之间，所采用的竖向变形补偿值由中间层向两端逐渐减小，上述数值会随着超高层建筑高度的不同、施工环境的不同、混凝土配合比的不同而发生一定程度的变化。
15.超高层建筑的混凝土核心筒和钢结构外框架之间采用横向联系杆件进行连接，横向联系杆件能够确保混凝土核心筒和钢结构外框架共同参与横向受力，相比于混凝土核心
筒在施工期间的竖向变形，钢结构外框架的竖向变形可以忽略不计，因此，横向联系杆件与两者固结的时间最好选择在混凝土核心筒已经充分发生竖向变形之后，此时，横向联系杆件以受拉或受压杆件的内力状态发挥连接作用，不会出现弯拉或者弯压的耦合受力状态，使得横向联系杆件的材料性能可以得到最充分的发挥，且次内力最小。但是，受施工进度影响，工程单位一般要求横向联系杆件尽早完成封闭固结，以免对后续施工工序造成不利影响。由上述分析可知，横向联系杆件封闭固结之前，混凝土核心筒已经完成了绝大部分的竖向变形，横向联系杆件封闭固结之后，其次内力最小且内力状态最优，因此，工程单位预先获取横向联系杆件最早的封闭固结时间能够有针对性地对横向联系杆件的施工时间进行准确判断。
16.下面具体说明本实施例的面向超高层竖向预变形控制的精细化评估方法，步骤如下：
17.s1:建立超高层建筑混凝土核心筒的有限元模型，并对其施工过程进行有限元分析，得到混凝土核心筒受自重、混凝土材料收缩徐变两个因素引起的竖向变形的理论补偿值之和；设超高层建筑具有n个横向桁架层，将底层至第一横向桁架层之间的各楼层设为第一监测单元，第二横向桁架层和第三横向桁架层之间的各楼层设为第二监测单元，
…
，依次类推，n个横向桁架层将超高层建筑划分为n+1个监测单元；
18.s2：根据步骤s1得出的竖向变形的理论补偿值，由下至上对第一监测单元的各楼层进行竖向变形补偿，第一横向桁架层内所有横向联系杆件的两端分别与混凝土核心筒、钢结构外框架铰接连接，由于铰接连接节点可以发生转动，而不能发生位移，横向联系杆件只是拉杆或者压杆，而不会出现弯曲内力；在混凝土核心筒受自重引起的竖向变形充分发挥之后，一般为结构施工超过建筑总高度一半之后，在横向联系杆件的上翼板和下翼板上沿轴线方向安装多个应变传感器，应变传感器的初始值设置为零，实时监测横向联系杆件上、下翼板的受力变形，并实时监测第一横向桁架层的标高观测点的高程，然后，将横向联系杆件的两端与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点进行临时固定，即临时限制其转动；此时，在混凝土材料收缩徐变的长期影响下，混凝土核心筒将会出现弯曲受力状态，分别为弯拉或弯压内力状态，弯曲受力状态的变化反映了混凝土核心筒的竖向变形情况；随着混凝土收缩徐变因素引起的竖向变形的充分发挥，横向联系杆件的弯曲内力指标会逐渐收敛到特定边界值，以横向联系杆件的弯曲内力指标最接近零的时刻作为其最优封闭固结时间，根据弯曲内力的方向建立评估指标，以上翼板受压为正方向，以上翼板受拉为负方向，代表混凝土收缩徐变因素对竖向变形控制的影响；
19.s3:在竖向变形的理论补偿值较大的情况下，横向联系杆件上翼板的应变传感器呈现负值，而下翼板的应变传感器呈现正值，即上翼板受压，下翼板受拉，横向联系杆件整体呈现向下弯曲的状态；由于上部结构的自重逐渐增加，自重引起的竖向变形将与混凝土收缩徐变引起的竖向变形方向相反，逐渐抵消，横向联系杆件的弯曲内力评估指标趋向于零，以横向联系杆件的弯曲内力指标最接近零的时刻作为其最优封闭固结时间，将横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点的临时固定转为永久封闭固结，最优封闭固结时间基本都是在上部结构达到较多层高的时刻，如达到超高层建筑总高度的80％以上；
20.在竖向变形的理论补偿值较小的情况下，横向联系杆件上翼板的应变传感器呈现
正值，而下翼板的应变传感器呈现负值，即上翼板受拉，下翼板受压，横向联系杆件整体呈现向上弯曲的状态；由于上部结构的自重逐渐增加，自重引起的竖向变形将与收缩徐变引起的竖向变形方向相同，横向联系杆件的弯曲内力指标逐渐增大，但是由于距离横向桁架层越远的楼层，其自重对横向桁架层所在位置的混凝土核心筒竖向变形的影响越小，因此，其弯曲内力也将逐渐收敛，收敛的边界所对应的时间即为最优封闭固结时间，一般是在上部结构达到较少的层高时刻，如达到超高层建筑总高度的50％～70％范围时，松开横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架之间的临时固定，使横向联系杆件两端重新回到自由转动状态并释放次内力之后，再将横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点转为永久封闭固结；
21.s4:重复上述步骤s2和s3,由下至上依次对其余n个监测单元各楼层进行竖向变形补偿，在每个横向桁架层内横向联系杆件弯曲内力评估指标趋向于零时，将所述横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点进行永久封闭固结。本实施例的横向联系杆件一般采用h型钢结构杆件。
22.本发明的面向超高层竖向预变形控制的精细化评估方法，通过对超高层建筑混凝土核心筒施工过程进行有限元分析，得到混凝土核心筒受自重、混凝土材料收缩徐变两个因素引起的竖向变形的理论补偿值，通过横向桁架层将超高层建筑划分为多个监测单元，由下至上对每个监测单元的各楼层进行竖向变形补偿，实时监测每个监测单元顶部横向桁架层内所有横向联系杆件应力变化的时程数据，以横向联系杆件的弯曲内力指标最接近零的时刻作为横向联系杆件的最优封闭固结时间，在最优封闭固结时间之前，横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架之间均为铰接连接，便于松开横向联系杆件与两者的连接，使其两端重新回到自由转动状态并释放次内力，横向联系杆件呈最优内力状态下，再将横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点进行永久封闭固结；该面向超高层竖向预变形控制的精细化评估方法，能够对各横向桁架层内所有横向联系杆件的最优封闭固结时间进行准确判断，有效提升了超高层建筑施工阶段竖向预变形的控制效果，提高了超高层建筑竖向变形补偿的精益化水平，而且，该方法步骤操作简单，降低了施工成本。
23.本实施例的面向超高层竖向预变形控制的精细化评估方法还包括步骤s5,横向联系杆件永久封闭后，由于混凝土收缩徐变引起的竖向变形仍在发挥作用，可继续对应变传感器监测到的数据进行分析，横向联系杆件永久封闭固结后的弯曲内力指标将始终呈现小于零的值，理论情况下该值应很快呈现收敛状态，如持续降低且不收敛，证明横向联系杆件封闭固定时间过早，应重新解除横向联系杆件两端的固定约束，在释放次内力后，再次将横向联系杆件进行永久封闭固结。
24.所述步骤s4还包括：在要求提前所述横向联系杆件的最优封闭固结时间时，给定的竖向变形实际补偿值应略低于最优补偿值，其中，最优补偿值设定为理论补偿值的1～1.5倍，通过横向联系杆件的约束起到限制混凝土收缩徐变引起的变形的作用。
25.所述步骤s4还包括：在要求永久封闭固结后的横向联系杆件的内力状态为最优时，给定的竖向变形实际补偿值应略低于最优补偿值，其中，最优补偿值设定为理论补偿值的0.6～1倍。
26.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求范围。

技术特征：
1.一种面向超高层建筑竖向预变形控制的精细化评估方法，其特征在于，步骤如下：s1:建立超高层建筑混凝土核心筒的有限元模型，并对其施工过程进行有限元分析，得到混凝土核心筒受自重、混凝土材料收缩徐变两个因素引起的竖向变形的理论补偿值之和；设超高层建筑具有n个横向桁架层，将底层至第一横向桁架层之间的各楼层设为第一监测单元，第二横向桁架层和第三横向桁架层之间的各楼层设为第二监测单元，
…
，依次类推，n个横向桁架层将超高层建筑划分为n+1个监测单元；s2：根据步骤s1得出的竖向变形的理论补偿值，由下至上对第一监测单元的各楼层进行竖向变形补偿，第一横向桁架层内所有横向联系杆件的两端分别与混凝土核心筒、钢结构外框架铰接连接，在混凝土核心筒受自重引起的竖向变形充分发挥之后，实时监测第一横向桁架层的高程，以及横向联系杆件上翼板和下翼板的应力变化，将横向联系杆件的两端与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点进行临时固定，以横向联系杆件的弯曲内力指标最接近零的时刻作为其最优封闭固结时间；s3:在竖向变形的理论补偿值较大的情况下，横向联系杆件整体呈现向下弯曲的状态，将横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点的临时固定转为永久封闭固结；在竖向变形的理论补偿值较小的情况下，横向联系杆件整体呈现向上弯曲的状态，松开横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架之间的临时固定，使横向联系杆件两端重新回到自由转动状态并释放次内力之后，再将横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点转为永久封闭固结；s4:重复上述步骤s2和s3,由下至上依次对其余n个监测单元各楼层进行竖向变形补偿，并将每个横向桁架层内的所有横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架的连接节点进行永久封闭固结。2.根据权利要求1所述的面向超高层建筑竖向预变形控制的精细化评估方法，其特征在于，还包括步骤s5：所述横向联系杆件永久封闭固结后，若所述横向联系杆件弯曲内力指标持续降低且不收敛，重新解除所述横向联系杆件两端的固定约束，在释放次内力后，再次将所述横向联系杆件进行永久封闭固结。3.根据权利要求1所述的面向超高层建筑竖向预变形控制的精细化评估方法，其特征在于，所述步骤s4还包括：在要求提前所述横向联系杆件的最优封闭固结时间时，竖向变形实际补偿值应低于最优补偿值，其中，最优补偿值设定为理论补偿值的1～1.5倍。4.根据权利要求1所述的面向超高层建筑竖向预变形控制的精细化评估方法，其特征在于，所述步骤s4还包括：在要求永久封闭固结后的横向联系杆件的内力状态为最优时，竖向变形实际补偿值应低于最优补偿值，其中，最优补偿值设定为理论补偿值的0.6～1倍。

技术总结
本发明的一种面向超高层建筑竖向预变形控制的精细化评估方法，涉及超高层建筑施工技术领域，针对现有超高层建筑的竖向变形控制方法，无法针对性地判断每层横向桁架层中横向联系杆件的施工时间的问题。步骤：对超高层建筑混凝土核心筒施工过程进行有限元分析，得到混凝土核心筒竖向变形的理论补偿值，通过横向桁架层将超高层建筑划分为多个监测单元，由下至上对每个监测单元的各楼层进行竖向变形补偿，以横向联系杆件的弯曲内力指标最接近零的时刻作为其最优封闭固结时间，在最优时间之前，横向联系杆件与混凝土核心筒、钢结构外框架之间为铰接，横向联系杆件释放次内力后，再将横向联系杆件与两者永久封闭固结。向联系杆件与两者永久封闭固结。


技术研发人员：赵一鸣 房霆宸 吴联定 贾宝荣 李晓青
受保护的技术使用者：上海建工集团股份有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/14