高層框—筒混合結(jié)構(gòu)施工期間變形控制策略

陳 燦

鋼框架—混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)(下文簡稱混合結(jié)構(gòu))是指由外鋼框架與混凝土核心筒體所組成的共同承受豎向和水平作用的高層建筑結(jié)構(gòu)。鋼框架與混凝土核心筒在施工期間存在很大的豎向變形差異。這是由于外鋼框架柱工作應(yīng)力與彈性模量的比值要比核心筒大,因此柱的彈性縮短將大于核心筒。隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加,自重引起的累積豎向變形差異將越來越大。更重要的是,整個施工期間核心筒混凝土徐變、收縮在不斷開展,進一步加劇了筒、柱間的豎向變形差。

水平變形方面,在水平荷載(主要是風荷載)作用下,施工期間核心筒混凝土的彈性模量還未達到設(shè)計值,內(nèi)筒與外框并未形成完整的協(xié)同工作的抗側(cè)力體系,存在不安全因素。因此《高規(guī)》[1]第11.2.16條規(guī)定:“混合結(jié)構(gòu)體系的鋼筋混凝土筒體先于鋼框架施工時,應(yīng)考慮施工階段鋼筋混凝土筒體在風力及其他荷載作用下的不利受力狀態(tài),型鋼混凝土構(gòu)件應(yīng)驗算在澆筑混凝土之前鋼框架在施工荷載及可能的風載作用下的承載力、穩(wěn)定及位移,并據(jù)此確定鋼框架安裝與澆筑混凝土樓層的間隔層數(shù)。”

1 水平變形控制策略——核心筒領(lǐng)先鋼框架施工層數(shù)的確定

混合結(jié)構(gòu)一般按“筒體先行,框架跟進”的程序施工,即核心筒先行施工一段樓層,然后再跟進施工外框架。在整個施工期間外框架進度總是落后核心筒若干層。計算表明[2],核心筒領(lǐng)先施工能夠提前發(fā)展混凝土的徐變與收縮,從而減小柱、筒間的整體豎向變形差異。但計算同時表明,混凝土的徐變、收縮會引起連接柱、筒的鋼框架梁產(chǎn)生很大的附加彎矩和剪力,給構(gòu)件帶來強度破壞的危險。另外,核心筒領(lǐng)先施工樓板的層數(shù)越大,結(jié)構(gòu)在風荷載下的水平位移也越大。因此,在確定施工方案時,必須控制核心筒的領(lǐng)先施工層數(shù)。

1.1 經(jīng)驗估計

當結(jié)構(gòu)的體型比較規(guī)則、簡單,與當?shù)匾呀üこ淘诮Y(jié)構(gòu)形式、高度上有較強的可比性時,施工單位可以根據(jù)以往類似工程的經(jīng)驗來確定核心筒的領(lǐng)先施工層數(shù)。表1列出了上海地區(qū)一些高層建筑結(jié)構(gòu)施工時,核心筒領(lǐng)先框架的施工層數(shù)[3]。

表1 上海地區(qū)部分高層建筑核心筒領(lǐng)先外框架施工層數(shù)

1.2 計算確定

1.2.1 計算模型

把風荷載簡化為沿結(jié)構(gòu)高度線性變化的倒三角形線荷載,把施工期間的結(jié)構(gòu)體系簡化為如圖1a)所示的平面模型,并分為兩部分分別予以考慮:第一部分是鋼框架已經(jīng)施工完畢并已經(jīng)澆筑樓板的部分,高度為 H(見圖1b)),簡稱“完整部分”;第二部分是核心筒先行施工的部分,高度為 h(見圖 1c)),簡稱“懸臂部分”。兩部分均承受相應(yīng)的靜力風荷載,在連接截面處暴露出剪力V*、彎矩M*等內(nèi)力。

當懸臂部分頂部風荷載的集度為 q,其完整部分頂部所受的荷載集度和內(nèi)力為:

1.2.2 內(nèi)力驗算

施工期間,結(jié)構(gòu)和內(nèi)力不能超過設(shè)計限值。因此,可以通過施工階段的水平受力驗算,來估計核心筒的領(lǐng)先施工層數(shù)。選取完整部分頂點處作為考察對象,此時控制方程為:

其中,V*,M*分別為計算模型中完整部分施工到高度 H處時,完整部分頂部的剪力和彎矩值;V0,M0分別為在設(shè)計階段得到的相應(yīng)部位的剪力與彎矩設(shè)計值。

將式(1b)和式(1c)代入式(2a)和式(2b),就得到按內(nèi)力控制時的核心筒領(lǐng)先施工高度(按下式計算取較小值):

1.2.3 變形驗算

當確定施工方案進行粗略估算時,可以忽略懸臂部分的彎曲變形。由于剛度發(fā)生突變,層間轉(zhuǎn)角在懸臂部分與基本部分的交接層會達到最大值。因此可只驗算此截面處的位移值是否超過設(shè)計值。《高規(guī)》規(guī)定,框架—核心筒的樓層最大層間位移與層高之比(層間轉(zhuǎn)角)Δu/h限值為:

1)當建筑高度在150 m以下時,Δu/h≤1/800;2)當建筑高度在250 m及以上時,Δu/h≤1/500;3)當建筑高度在150 m～250 m之間時,限值在1),2)的規(guī)定之間按建筑高度線性插值。

結(jié)構(gòu)體系越往上施工,所受的風荷載越大,同時結(jié)構(gòu)體系的懸臂高度也越大。這樣核心筒領(lǐng)先施工高度在上部層比在下部層小。因此,整個施工期間,核心筒的領(lǐng)先層數(shù)不是一成不變的。

2 豎向變形差引起附加內(nèi)力控制策略——水平連接構(gòu)件二次施工

豎向變形差會引起連接豎向承重構(gòu)件的鋼框架梁產(chǎn)生附加內(nèi)力,在某些支座處,這些附加內(nèi)力與正常使用期間荷載產(chǎn)生的內(nèi)力反號,因而會給梁的結(jié)構(gòu)安全帶來隱患。為減小這一影響,在施工中梁先不與豎向承重構(gòu)件剛性連接,使其成為不承擔荷載的可變機構(gòu),使早期豎向變形自由發(fā)展。當施工到一定階段,通過計算與現(xiàn)場實測,判斷豎向變形差異已部分完成后進行二次終擰施工,完成最終的連接。

為提高結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度,減少水平變形,在某些超高層混合結(jié)構(gòu)中常在核心筒與外框架之間設(shè)置水平剛臂(加強桁架)。水平剛臂具有很大的側(cè)移剛度,當產(chǎn)生豎向變形,尤其是由于混凝土的徐變、收縮引起的荷載重分布,使水平剛臂在兩部分之間傳遞豎向荷載,而使自身增加了額外的內(nèi)力。按照與鋼框架梁相同的思想,也可以根據(jù)柱—筒之間的豎向變形差發(fā)展情況選擇水平剛臂的終擰二次施工時間。例如在金貿(mào)大廈的施工當中,在水平加強桁架中引入結(jié)構(gòu)鋼銷,在安裝過程中,裝入此銷,使桁架在施工期間很長一段時間內(nèi)變成自由移動構(gòu)件,銷子放在水平構(gòu)件的圓孔中。在相對位移完成大部分以后,將螺栓緊固并焊接,即在豎向變形基本穩(wěn)定后再實現(xiàn)剛性連接[4]。

3 結(jié)構(gòu)體系減小豎向變形差的設(shè)計構(gòu)造策略

在結(jié)構(gòu)體系合適的位置,可以利用豎向和水平構(gòu)件的少量柔性連接來“釋放”由于混凝土徐變收縮及溫度效應(yīng)所引起的附加應(yīng)力。承重構(gòu)件與非承重構(gòu)件之間的柔性連接可避免承重構(gòu)件將附加應(yīng)力傳給非承重構(gòu)件,通常在框架與隔墻、框架與幕墻之間采用柔性連接,以避免附加應(yīng)力引起的開裂。

如圖2所示的鋼框架柱節(jié)點,這種節(jié)點允許豎向的自由伸縮,但橫向受到約束,可以傳遞剪力。例如洛萬斯特中心(Norwest Centre)工程,樓高57層,全部豎向荷載由SRC巨型柱承擔,通過每5層設(shè)置這樣的節(jié)點,把累積豎向變形差限值在5層內(nèi),同時還避免了巨型柱由于彈性變形、徐變和收縮引起的豎向變形可能使內(nèi)部鋼柱壓屈。

4 結(jié)語

1)以控制施工期間混合結(jié)構(gòu)體系在風荷載下水平變形和內(nèi)力為目標,建立了確定核心筒的領(lǐng)先鋼框架施工層數(shù)的方法。2)連接豎向承重構(gòu)件的水平連接構(gòu)件進行二次施工,可以有效減小豎向變形差引起的附加內(nèi)力。3)在結(jié)構(gòu)體系合適的位置,可以利用豎向和水平構(gòu)件的少量柔性連接來“釋放”由于混凝土徐變收縮及溫度效應(yīng)所引起的附加應(yīng)力。

[1] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 陳 燦.混合結(jié)構(gòu)體系施工期間豎向變形計算[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版),2009,26(3):102-106.

[3] 上海建設(shè)和管理委員會科學(xué)技術(shù)委員會.上海高層、超高層建筑設(shè)計與施工、結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].上海:上海科學(xué)普及出版社,2004:15-100.

[4] 羅文斌.超高層建筑結(jié)構(gòu)豎向變形差的分析與控制[D].西安:西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,1999:57-60.