李秋勝++周康++賀映候++汪輝

摘要：以在建的深圳平安金融中心為工程背景，進(jìn)行了施工階段的健康監(jiān)測與施工全過程模擬研究。施工階段健康監(jiān)測以結(jié)構(gòu)的豎向變形、關(guān)鍵部位應(yīng)力以及荷載監(jiān)測為主，施工全過程模擬根據(jù)實際施工進(jìn)度并考慮材料的時變效應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析。結(jié)果表明：核心筒的累計豎向變形大于巨柱，累計豎向變形與所處施工階段和結(jié)構(gòu)高度有關(guān)，施工壓縮預(yù)調(diào)方法可以有效補償結(jié)構(gòu)的累計豎向變形；結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨著施工的進(jìn)度而均勻變化，上部結(jié)構(gòu)每施工1層，核心筒壓應(yīng)力約增加0.09 MPa，巨柱壓應(yīng)力約增加0.11 MPa；在實測荷載作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)在施工階段是安全穩(wěn)定的；模擬分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；健康監(jiān)測；有限元模擬；施工階段；豎向變形；結(jié)構(gòu)應(yīng)力

中圖分類號：TU355 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，近年來興建了大量的超高層結(jié)構(gòu)，至2020年，全球?qū)⒅辽俳ǔ?座高度超過600 m的超高層建筑。據(jù)統(tǒng)計，高度超過250 m的高層建筑施工周期一般長達(dá)4～5年，由于結(jié)構(gòu)的不完整性、結(jié)構(gòu)抗力的不成熟性以及所受荷載的復(fù)雜性等不利因素的存在，會大幅增加結(jié)構(gòu)在施工階段的風(fēng)險率以及失效概率。另外，超高層建筑的使用期限較長，通?？蛇_(dá)幾十年乃至上百年，在材料老化疲勞、荷載長期作用以及臺風(fēng)地震等不利因素的耦合作用下，不可避免會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷累積及抗力衰減，在極端情況下甚至有可能引發(fā)災(zāi)難。

在施工階段和使用階段對超高層結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測和損傷診斷，并評估結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性具有重要意義。本文以在建的深圳平安金融中心為工程背景，介紹施工階段的健康監(jiān)測系統(tǒng)，將施工階段獲得的實測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，為超高層結(jié)構(gòu)合理施工與優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 工程概況

深圳平安金融中心（PAFC）位于深圳市福田區(qū)，是深圳市標(biāo)志性建筑之一。PAFC主體結(jié)構(gòu)形式采用加筋混凝土核心筒巨型鋼伸臂型鋼混凝土巨柱混合結(jié)構(gòu)，總建筑面積達(dá)46萬m2，地上118層，地下5層，結(jié)構(gòu)高度為597 m，建筑總高度達(dá)660 m，完工后將超過上海中心大廈成為中國第一、世界第二高樓，主樓效果圖及施工現(xiàn)場如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)組成

PAFC健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括4個模塊子系統(tǒng)，各模塊協(xié)同工作以監(jiān)控結(jié)構(gòu)施工階段的安全生產(chǎn)，保障使用階段的安全運營，為超高層結(jié)構(gòu)安全評定提供技術(shù)支持。4個模塊子系統(tǒng)為：

（1）傳感測試系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容在結(jié)構(gòu)相應(yīng)部位布設(shè)傳感器，用于獲得結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變及荷載響應(yīng)等信息。

（2）數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。將傳感器采集到的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并進(jìn)行信號調(diào)理與數(shù)據(jù)傳輸。

（3）數(shù)據(jù)處理與評估系統(tǒng)。進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及預(yù)處理，計算目標(biāo)監(jiān)測量，并通過統(tǒng)計分析、特征提取等手段獲取長期規(guī)律及模型參數(shù)等用于評估。

（4）結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，將其轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)狀態(tài)或損傷信息，提供結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評估。

2.2 監(jiān)測項目及監(jiān)測設(shè)備

PAFC健康監(jiān)測項目在施工階段主要包括氣候環(huán)境、荷載、豎向變形以及關(guān)鍵部位應(yīng)力、應(yīng)變等，在結(jié)構(gòu)使用階段將新增加結(jié)構(gòu)模態(tài)、阻尼監(jiān)測、幕墻風(fēng)壓、風(fēng)場和地震動以及關(guān)鍵樓層的加速度響應(yīng)等監(jiān)測項目，主要監(jiān)測設(shè)備的樓層布置見圖2，共包括11種共計428個傳感器及6種監(jiān)測設(shè)備。鑒于該項目尚處于施工階段，本文將對該階段的監(jiān)測項目和監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行簡要描述。

2.2.1 豎向變形以及關(guān)鍵部位應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

為了能夠適用于惡劣的施工環(huán)境，該項目選用光纖布拉格光柵（FBG）傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度、豎向變形以及應(yīng)力監(jiān)測。當(dāng)結(jié)構(gòu)的待測參量發(fā)生改變時，光柵的周期和纖芯模有效折射率將會發(fā)生變化，從而改變中心波長，隨后通過光譜分析儀或波長解調(diào)儀對反射光的波長進(jìn)行分析，即可獲得待測參量的變化情況[1]。由于監(jiān)測點數(shù)目有限，根據(jù)PAFC所進(jìn)行的初步施工模擬分析結(jié)果，選取變形和應(yīng)力較大的巨柱和核心筒角部作為樓層的監(jiān)測布點；監(jiān)測樓層沿高度均勻分布，以得到結(jié)構(gòu)整體的豎向變形與應(yīng)力發(fā)展規(guī)律。圖3為光纖光柵傳感器的測點布置及安裝實圖。

2.2.2 氣候環(huán)境監(jiān)測

采 用WP3103自動采集氣象站對氣溫、濕度、

FBG Sensors雨量及氣壓等氣象要素進(jìn)行連續(xù)實時監(jiān)測，并對結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境進(jìn)行評估。施工階段氣象站放置于核心筒塔吊上，隨著施工進(jìn)行不斷提升，使用階段將會安裝在塔樓頂部露天處，現(xiàn)階段放置于核心筒B2的118層頂板，氣象站安裝見圖4。

2.2.3 地震動監(jiān)測

選用觸發(fā)式采集模式的GDQJ型強震儀對地震動加速度及施工振動進(jìn)行記錄，并結(jié)合有限元模型評估地震動對結(jié)構(gòu)的影響。強震儀安裝于地下室底層核心筒內(nèi)墻，安裝現(xiàn)場見圖5。

3 有限元全過程模擬

采用MIDASGEN對結(jié)構(gòu)進(jìn)行從開始施工到使用50年的全過程模擬，建模分析考慮結(jié)構(gòu)、材料、荷載以及邊界條件的時變性，主要步驟如下：

（1）建立分析模型，施加荷載并指定邊界條件?？紤]到結(jié)構(gòu)受力特點、計算效率以及施工模擬的需要，巨柱、核心筒及連梁采用板單元模擬，梁、斜撐以及桁架等采用梁單元模擬。荷載主要考慮自重以及施工活荷載，樓面施工活荷載取2.5 kPa[2]，爬模及樓頂塔吊自重通過分布荷載的形式施加在核心筒墻體上，樓面荷載在結(jié)構(gòu)投入使用后替換施工荷載?？紤]深基礎(chǔ)效應(yīng)將結(jié)構(gòu)底部邊界條件定義為固端約束，伸臂桁架采用先鉸接后剛接處理。

（2）定義混凝土收縮系數(shù)、徐變系數(shù)和強度發(fā)展函數(shù)。參考文獻(xiàn)[3]～[5]的建議選取CEBFIP（90）混凝土收縮模型、徐變模型及強度發(fā)展模型，環(huán)境相對濕度根據(jù)深圳市平均相對濕度取77%，收縮開始時的混凝土齡期取為3 d，核心筒（C60）及巨柱（C70）混凝土?xí)r變模型如圖6所示。

（3）根據(jù)實際施工進(jìn)度建立結(jié)構(gòu)組、荷載組和邊界組并定義施工階段。

（4）運行分析并進(jìn)行結(jié)果后處理。

本次全過程模擬包括施工過程中的28個階段和投入使用的7個階段。為方便描述，結(jié)構(gòu)施工過程中的第i個階段簡稱為CSi，投入使用j年的模擬階段簡稱CCSj，圖7為不同階段有限元模型。

6 結(jié) 語

（1）結(jié)構(gòu)累計豎向變形與所處施工階段和結(jié)構(gòu)高度有關(guān)，核心筒的累計豎向變形大于巨柱；采用施工壓縮預(yù)調(diào)方法可以有效補償結(jié)構(gòu)的累計豎向變形，SHM13工況（主體結(jié)構(gòu)基本完工）下核心筒和巨柱的實測變形占施工預(yù)調(diào)量的比例分別為90.5%，85.5%。

（2）核心筒和巨柱壓應(yīng)力水平相當(dāng)，壓應(yīng)力的大小隨著時間的推移逐漸增大，隨著樓層高度的增高而減?。簧喜拷Y(jié)構(gòu)每施工1層，監(jiān)測樓層核心筒壓應(yīng)力約增加0.09 MPa，巨柱壓應(yīng)力約增加0.11 MPa。

（3）模擬分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好，表明有限元分析計算模型和方法的準(zhǔn)確性，也肯定了超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中結(jié)合實測與計算模擬分析方法的

（4）在實測風(fēng)荷載和地震效應(yīng)下，結(jié)構(gòu)層間位移角均滿足規(guī)范要求；以施工工期（10年）為重現(xiàn)期對地震效應(yīng)和風(fēng)荷載進(jìn)行折減并模擬分析，結(jié)果表明施工階段結(jié)構(gòu)的剛度和整體穩(wěn)定性滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

References：

[1] 姜紹飛.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能信息處理及應(yīng)用[J].工程力學(xué)，2009，26（增2）：184212.

JIANG Shaofei.Structural Health Monitoringintelligent Information Processing and Appllication[J].Engineering Mechanics，2009，26（S2）：184212.

[2]趙挺生，李樹遜，顧祥林.混凝土房屋建筑施工活荷載的實測統(tǒng)計[J].施工技術(shù)，2005，34（7）：6365.

ZHAO Tingsheng，LI Shuxun，GU Xianglin.Onsite Measure and Statistic of Live Construction Load of Concrete Buildings[J].Construction Technology，2005，34（7）：6365.

[3]BAZANT Z P.Prediction of Concrete Creep and Shrinkage：Past，Present and Future[J].Nuclear Engineering and Design，2001，203（1）：2738.

[4]陳 燦.高層鋼框架混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系施工期間變形及其控制研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

CHEN Can.Research on Deformation and Control During Construction of Highrise Steel Frameconcrete Corewall Mixed Structure[D].Shanghai：Tongji University，2007.

[5]NILSON A.Design of Concrete Structures[M].12th ed.New York：McGrawHill Inc，1997.

[6]傅學(xué)怡，余衛(wèi)江，孫 璨，等.深圳平安金融中心重力荷載作用下長期變形分析與控制[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2014，35（1）：4147.

FU Xueyi，YU Weijiang，SUN Can，et al.Analysis and Control on Longterm Deformation Caused by Gravity of the Shenzhen Pingan Finance Center[J].Journal of Building Structures，2014，35（1）：4147.

[7]GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

GB 50010—2010，Code for Design of Concrete Structures[S].

[8]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

JGJ 3—2010， Technical Specification for Concrete Structures of Tall Building[S].

[9]GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

GB 50009—2012，Load Code for the Design of Building Structures[S].

[10]黃本才.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2001.

HUANG Bencai.Principle and Application of Structural Wind Resistance Analysis[M].Shanghai：Tongji University Press，2001.

[11]趙 昕，劉南鄉(xiāng)，孫華華，等.超高層混合結(jié)構(gòu)施工階段結(jié)構(gòu)性能評估與控制[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2011，32（7）：2230.

ZHAO Xin，LIU Nanxiang，SUN Huahua，et al.Structural Performance Assessment and Control of Super Highrise Building During Construction[J].Journal of Building Structures，2011，32（7）：2230.

[12]方小丹，魏 璉，周 靖.長周期結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點與反應(yīng)譜[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2014，35（3）：1623.

FANG Xiaodan，WEI Lian，ZHOU Jing.Characteristics of Earthquake Response for Longperiod Structures and Response Spectrum[J].Journal of Building Structures，2014，35（3）：1623.