某超高層結(jié)構(gòu)在非荷載作用下的變形分析

陳錦濤

中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司深圳分公司

某超高層結(jié)構(gòu)在非荷載作用下的變形分析

陳錦濤

中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司深圳分公司

影響超高層結(jié)構(gòu)變形的非直接荷載因素主要是混凝土的收縮和徐變。而影響結(jié)構(gòu)變形的直接荷載因素有自重、活荷載、風(fēng)荷載等。針對(duì)地處中國深圳地區(qū)的某高度為196.5m的超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工過程模擬分析，研究非荷載因素對(duì)超高層結(jié)構(gòu)變形的影響。

超高層結(jié)構(gòu)；施工過程模擬；收縮徐變；彈性變形

位于深圳的某45層超高層建筑，總高度196.5米。采用框架核心筒抗側(cè)力體系，外筒由型鋼混凝土柱組成，核心筒為混凝土剪力墻，型鋼柱設(shè)置至13層。

結(jié)構(gòu)自重和結(jié)構(gòu)施工活載等豎向荷載分布不均勻，結(jié)構(gòu)核心筒壓應(yīng)力要比外框架小，在豎向荷載作用下會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)外筒的不均勻變形。由于結(jié)構(gòu)超高，荷載較大，構(gòu)件體積龐大，混凝土用量很大，所以混凝土的收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向變形有很大影響。

因主體結(jié)構(gòu)外包玻璃幕墻，核心筒剪力墻和周邊框架柱的溫度差異不大，暫不考慮溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形差的影響。本文主要考慮施工過程混凝土收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形差的影響。

1、非荷載作用效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理

外框柱作為主要的豎向承重構(gòu)件，在豎向荷載作用下會(huì)產(chǎn)生很大的豎向變形，相比之下，混凝土核心筒在豎向荷載作用下的壓縮變形較小。此外，核心筒和外框柱的不均勻壓縮，無論是彈性的或者是非彈性的(包括混凝土的收縮及徐變)，其影響在設(shè)計(jì)和施工中均需專門考慮。

2、混凝土收縮徐變影響分析

2.1 對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響。由于內(nèi)筒混凝土的收縮徐變，外筒13層以下勁性柱的收縮徐變比純混凝土構(gòu)件小，造成對(duì)內(nèi)筒混凝土的收縮及重力荷載作用下徐變的約束增強(qiáng)。這種約束使混凝土筒體“卸荷”轉(zhuǎn)移至外框架柱，使外框住“增荷”效應(yīng)增大。與此同時(shí)連接筒體一外框柱之間的混凝土梁在連接部位應(yīng)力增大。

2.2 對(duì)層高的影響。豎向內(nèi)筒因后期混凝土收縮徐變產(chǎn)生的豎向壓縮變形，可能會(huì)引起下部樓層層高有一定數(shù)量的減小，這個(gè)問題不但對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有影響，同時(shí)還會(huì)影響到需要嚴(yán)格控制層高標(biāo)準(zhǔn)的電梯的使用。更為不利的是層高的變化是由下至上不斷變化，即下部減少多，上部減少小。

3、混凝土收縮徐變計(jì)算理論

3.1 混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨時(shí)間的變化?；炷量箟簭?qiáng)度在一定情況下隨齡期單調(diào)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度漸減并趨向收斂。采用規(guī)范CEB-FIPMC90中關(guān)于混凝土抗壓強(qiáng)度以及彈性模量隨齡期增長(zhǎng)的計(jì)算公式。

3.2 混凝土收縮及徐變?；炷潦湛s及徐變相采用參考《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD62-2004中的相關(guān)計(jì)算公式。

4、基于模型分析的施工方案

采用通用有限元程序Midas Gen(Ver.836)的施工模擬分析模塊進(jìn)行分析，不但考慮了施工階段影響，還在分析中考慮了混凝土收縮、徐變、彈性模量變化等因素。

4.1 核心筒豎向變形分析。核心筒的豎向變形主要是由荷載引起的彈性變形、收縮變形、徐變變形組成，核心筒沿樓層高度的豎向變形見圖1，荷載引起的彈性變形仍是占主要部分。由于混凝土收縮變形是個(gè)長(zhǎng)期的過程，雖然相當(dāng)一部分收縮變形在結(jié)構(gòu)施工期出現(xiàn)，但后期的混凝土收縮仍在繼續(xù)，而且核心筒厚度較大，體表面積大，水分蒸發(fā)量減小，收縮也會(huì)減小。所以總體來看，在施工階段，混凝土收縮引起的核心筒豎向變形所占比例不大?；炷列熳?cè)鲩L(zhǎng)可延續(xù)數(shù)十年，但大部分在前1至2年出現(xiàn)，前3至6個(gè)月發(fā)展最快，所以在施工階段，徐變引起的混凝土核心筒變形分量所占比例較大。

4.2 外框柱與核心筒剪力墻的豎向變形量值及差異。從圖2中可以看出，核心筒與外框柱的豎向變形及豎向變形差的最大值既不是發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部，也不是發(fā)生在結(jié)構(gòu)底部，而是發(fā)生在結(jié)構(gòu)中部或者中部偏上。核心筒與框架柱的最大變形均發(fā)生在27層附近，從底部到27層，結(jié)構(gòu)豎向變形隨樓層增加而增加，從27層到結(jié)構(gòu)頂部，結(jié)構(gòu)豎向變形隨樓層增加逐步減小。

圖1 核心筒豎向變形

圖2 外框柱與核心筒豎向變形差

墻柱豎向變形及差異受到施工加載順序、混凝土收縮徐變(包括齡期影響)、豎向壓應(yīng)力差異、施工過程中構(gòu)件長(zhǎng)度的調(diào)整等因素的影響。因而實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)布置的變化、使用功能及荷載的不同等因素都會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。

5、混凝土收縮徐變對(duì)策及結(jié)論

由于結(jié)構(gòu)布置以及荷載的變化，不同位置的混凝土核心筒與外框柱的豎向變形及差異可能存在區(qū)別。豎向變形量及變形差的最大值一般發(fā)生在結(jié)構(gòu)中部或者中部偏上，呈現(xiàn)出兩頭小，中間大的趨勢(shì)。采用以下對(duì)策可減小豎向構(gòu)件的變形差：

(1)從混凝土制作工藝上嚴(yán)格控制容易引起混凝土徐變的不利因素。通過試驗(yàn)確定混凝土合適的配合比，并據(jù)此精確計(jì)算在施工期間及使用期間收縮徐變量。

(2)外框柱與核心筒的壓應(yīng)力水平盡量保持一致，以消除收縮徐變影響。

(3)控制轉(zhuǎn)換外框柱的壓應(yīng)力水平，適當(dāng)增加型鋼，增加配筋量。

(4)針對(duì)不可避免的混凝土收縮變形引起的變形問題，采取在建筑施工期間結(jié)構(gòu)不同高度處的層高預(yù)留不同后期縮短變形的余量的方法，保證電梯等設(shè)備的后期正常實(shí)用。

(5)在施工和使用期間，建立一套完善的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在施工期間根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整后期的預(yù)留量。

[1] 唐興國，鐘鐵毅. 北京電視中心高層鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006， 30(1)：59-62

[2] 董志君，李筱毅，閻培渝，歐陽蓉. 非荷載因素對(duì)超高層結(jié)構(gòu)變形的影響研究[J]. 全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議. 2012(6增刊)：165-168.