超高复杂塔台斜交网格筒自密实混凝土浇筑高度研究*

刘晓英，刘 敏，刘晓林，刘 栗

(1.山东青建智慧建筑科技有限公司，山东 青岛 266000； 2.山东新中鲁建设有限公司，山东 青岛 266000；3.青建集团股份公司，山东 青岛 266011)

1 工程概况

某塔台地上17层，地下2层，建筑高度92.8m，总建筑面积3 346.2m2，塔台主楼核心筒为直径8m的钢筋混凝土圆筒，高度87.3m。其中，2～13层层高6m，其余层层高3.9～5m。剪力墙厚度包括250，300mm，混凝土外壁尺寸统一，核心筒外置钢结构螺旋楼梯。塔台结构采用的斜交网格外网沿整体结构高度布置，采用交叉钢管斜柱形成菱形钢网格。外侧网架钢管直径均为350mm，钢管壁厚随着高度的增加而递减，底部钢管壁厚为25mm，顶部钢管壁厚为10mm。楼面标高处，斜交网格筒每层均设有环形梁，每隔6层网格采用水平连接支撑将混凝土核心筒与斜交网格筒连接，环形梁截面形式采用箱形截面，截面尺寸为500mm×300mm(长×宽)。为保证结构强度及刚度满足设计要求，在逆时针方向的钢管柱内浇筑C50微膨胀自密实混凝土，浇筑高度控制是施工重点，为此，本文对浇筑高度进行模拟分析，确定最优浇筑高度。

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

塔台主楼为高耸结构，采用斜交网格筒-钢筋混凝土剪力墙内筒结构体系，外部斜交网格筒造型复杂，如图1所示。

图1 塔台效果

塔台结构平面及立面布置如图2所示，结构所用混凝土均为C50微膨胀自密实混凝土，钢材等级均为Q345C。结构斜交网格筒网架根据环梁布置可分为16层，随着楼层的增加，斜交网格筒斜柱尺寸减小。塔台内筒采用混凝土剪力墙结构，最外部圆筒剪力墙厚300mm，内部圆筒剪力墙厚250mm。斜交网格筒斜柱之间焊接连接，为固接节点。在剪力墙每层环梁处设置预埋件，用于设置支撑，使钢筋混凝土剪力墙内筒与斜交网格筒协同工作，支撑两端铰接连接。

图2 塔台结构平面及立面布置

由于塔台外部斜交网格筒结构造型复杂，利用Midas软件建模困难，因此本研究首先利用CAD软件建模，然后导入Midas软件中进行分析。建模时，首先将钢外网结构按层划分截面，建立每层截面模型；然后根据斜柱螺旋上升规律，沿着每层截面连线，快速绘制外部斜交网格筒结构，如图3a所示。

图3 结构模型

利用Midas软件进行分析时，外部斜交网格筒采用框架杆件单元模拟，内部混凝土筒体采用壳单元模拟(见图3b)。首先定义所需的材料属性；然后根据结构施工图，定义所需的圆钢管、内灌混凝土钢管、焊接箱形钢、焊接H型钢、混凝土墙板、内部杆件等的截面属性；最后对模型边界条件及荷载进行定义，包括恒荷载、活荷载、风荷载、地震作用、地震反应谱，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.15g，确定荷载模式、荷载工况及荷载组合。为保证模型变形不失真，同时保证运算速度，对模型进行网格划分，每根杆件最小段数为3段，最大段长为0.5m，单元网格最大尺寸为0.5m×0.5m。

2.2 参数设置

设置斜交网格筒单向主斜柱混凝土浇筑高度分别为0，27.7，39.7，45.7，57.7，83.43m。

2.3 结果分析

在斜交网格筒顶部施加5 000kN的水平侧向集中力，分析顶部位移及结构刚度。对结构施加风荷载及地震作用，分析不同浇筑高度下，结构在风荷载及地震作用下的变形与受力。

2.3.1混凝土浇筑高度为0m

混凝土浇筑高度为0m时塔台斜交网格筒结构位移云图如图4所示。由图4可知，塔顶最大位移为0.24m，根据受力及位移计算得到结构刚度为2.08×107N/m。

图4 混凝土浇筑高度为0m时塔台斜交网格筒结构位移云图(单位：m)

混凝土浇筑高度为0m时塔台斜交网格筒结构在风荷载作用下的受力云图如图5所示。由图5可知，斜交网格筒最大轴力为1 844.95kN，出现在底部；最大剪力为155.16kN，出现在底部；最大弯矩为120.3kN·m，出现在细腰处；最大应力为115.8N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为2 993kN/m，最大应力为16.7N/mm2。

图5 混凝土浇筑高度为0m时塔台斜交网格筒结构在风荷载作用下的受力云图

混凝土浇筑高度为0m时塔台斜交网格筒结构在地震作用下的受力云图如图6所示。由图6可知，斜交网格筒最大轴力为749.26kN，出现在底部；最大剪力为74.98kN，出现在底部；最大弯矩为44.998kN·m，出现在细腰处；最大应力为46.98N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为1 348kN/m，最大应力为7.5N/mm2。

图6 混凝土浇筑高度为0m时塔台斜交网格筒结构在地震作用下的受力云图

2.3.2混凝土浇筑高度为27.7m

由位移云图可知，混凝土浇筑高度为27.7m时塔台斜交网格筒结构塔顶最大位移为0.228m，根据受力及位移计算得到结构刚度为2.19×107N/m。

由风荷载作用下的受力云图可知，斜交网格筒最大轴力为1 929.7kN，出现在底部；最大剪力为150.5kN，出现在底部；最大弯矩为146.04kN·m，出现在细腰处；最大应力为122.3N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为2 825.8kN/m，最大应力为16.1N/mm2。

由地震作用下的受力云图可知，斜交网格筒最大轴力为790.6kN，出现在底部；最大剪力为74.13kN，出现在底部；最大弯矩为54.08kN·m，出现在细腰处；最大应力为49.98N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为1 316.37kN/m，最大应力为7.26N/mm2。

2.3.3混凝土浇筑高度为39.7m时

由位移云图可知，混凝土浇筑高度为39.7m时，塔顶最大位移为0.224m，根据受力及位移计算得到结构刚度为2.23×107N/m。

由风荷载作用下的受力云图可知，斜交网格筒最大轴力为1 966kN，出现在底部；最大剪力为150.5kN，出现在底部；最大弯矩为148.5kN·m，出现在细腰处；最大应力为124.6N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为2 823.7kN/m，最大应力为15.4N/mm2。

由地震作用下的受力云图可知，斜交网格筒最大轴力为824.5kN，出现在底部；最大剪力为74.2kN，出现在底部；最大弯矩为56.4kN·m，出现在细腰处；最大应力为52.1N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为1 317kN/m，最大应力为7.27N/mm2。

2.3.4混凝土浇筑高度为45.7m

由位移云图可知，混凝土浇筑高度为45.7m时塔台斜交网格筒结构塔顶最大位移为0.222m，根据受力及位移计算得到结构刚度为2.25×107N/m。

由风荷载作用下的受力云图可知，斜交网格筒最大轴力为1 984.5kN，出现在底部；最大剪力为150.6kN，出现在底部；最大弯矩为149.76kN·m，出现在细腰处；最大应力为125.75N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为2 824.2kN/m，最大应力为15.4N/mm2。

由地震作用下的受力云图可知，斜交网格筒最大轴力为842.5kN，出现在底部；最大剪力为74.3kN，出现在底部；最大弯矩为57.6kN·m，出现在细腰处；最大应力为53.2N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为1 317.8kN/m，最大应力为7.27N/mm2。

2.3.5混凝土浇筑高度为57.7m

由位移云图可知，混凝土浇筑高度为57.7m时塔台斜交网格筒结构塔顶最大位移为0.22m，根据受力及位移计算得到结构刚度为2.27×107N/m。

由风荷载作用下的受力云图可知，斜交网格筒最大轴力为2 020.15kN，出现在底部；最大剪力为150.8kN，出现在底部；最大弯矩为152.2kN·m，出现在细腰处；最大应力为128N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为2 827.1kN/m，最大应力为15.4N/mm2。

由地震作用下的受力云图可知，斜交网格筒最大轴力为878kN，出现在底部；最大剪力为74.5kN，出现在底部；最大弯矩为60.07kN·m，出现在细腰处；最大应力为55.48N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为1 320.9kN/m，最大应力为7.29N/mm2。

2.3.6混凝土浇筑高度为83.43m

由位移云图可知，混凝土浇筑高度为83.43m时塔台斜交网格筒结构塔顶最大位移为0.218m，根据受力及位移计算得到结构刚度为2.29×107N/m。

由风荷载作用下的受力云图可知，斜交网格筒最大轴力为2 087.3kN，出现在底部；最大剪力为151.4kN，出现在底部；最大弯矩为156.8kN·m，出现在细腰处；最大应力为132.2N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为2 837.8kN/m，最大应力为15.3N/mm2。

由地震作用下的受力云图可知，斜交网格筒最大轴力为945.2kN，出现在底部；最大剪力为75.1kN，出现在底部；最大弯矩为64.7kN·m，出现在细腰处；最大应力为59.7N/mm2。钢筋混凝土剪力墙内筒最大内力为1 331.6kN/m，最大应力为7.35N/mm2。

综上所述，随着斜交网格筒单向主斜柱自密实混凝土浇筑高度的增加，塔台结构抗侧刚度逐渐增大，当混凝土浇筑高度占结构总高度的2/5(39.7m)以下时，塔台结构抗侧刚度增加速率较大；当混凝土浇筑高度占结构总高度的2/5及以上时，斜交网格筒抗侧刚度大于钢筋混凝土剪力墙内筒抗侧刚度。随着斜交网格筒单向主斜柱自密实混凝土浇筑高度的增加，斜交网格筒轴力、应力、应力比均逐渐增大，当混凝土浇筑高度占结构总高度的2/5以上时，钢筋混凝土剪力墙内筒应力基本无变化；当混凝土浇筑高度占结构总高度的2/5以下时，结构受力主要由钢筋混凝土剪力墙内筒承担；当混凝土浇筑高度占结构总高度的2/5以上时，结构受力主要由斜交网格筒承担。

3 结语

为方便施工，按照结构每层环梁的布置高度确定斜交网格筒斜柱自密实混凝土浇筑高度。本文通过数值模拟分析了斜交网格筒结构斜柱自密实混凝土浇筑高度对结构刚度、受力及变形的影响，得出以下结论。

1)当斜交网格筒单向主斜柱混凝土浇筑高度占结构总高度的2/5以下时，塔台结构抗侧刚度增加速率较大。

2)当斜交网格筒单向主斜柱混凝土浇筑高度占结构总高度的2/5及以上时，斜交网格筒抗侧刚度大于钢筋混凝土剪力墙内筒抗侧刚度。

3)随着斜交网格筒单向主斜柱混凝土浇筑高度的增加，斜交网格筒轴力、应力、应力比均逐渐增大。

4)当斜交网格筒单向主斜柱混凝土浇筑高度占结构总高度的2/5以下时，结构受力主要由钢筋混凝土剪力墙内筒承担；当斜交网格筒单向主斜柱混凝土浇筑高度占结构总高度的2/5以上时，结构受力主要由斜交网格筒承担。

5)当斜交网格筒单向主斜柱混凝土浇筑高度占结构总高度的2/5时，结构内、外筒在风荷载及地震作用下的受力性能较好，同时保证了经济性，因此在本工程中，斜交网格筒单向主斜柱混凝土浇筑高度选为39.7m。