某超高層結構在非荷載作用下的變形分析

陳錦濤

中國建筑東北設計研究院有限公司深圳分公司

某超高層結構在非荷載作用下的變形分析

陳錦濤

中國建筑東北設計研究院有限公司深圳分公司

影響超高層結構變形的非直接荷載因素主要是混凝土的收縮和徐變。而影響結構變形的直接荷載因素有自重、活荷載、風荷載等。針對地處中國深圳地區的某高度為196.5m的超高層結構進行了施工過程模擬分析，研究非荷載因素對超高層結構變形的影響。

超高層結構；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，型鋼柱設置至13層。

結構自重和結構施工活載等豎向荷載分布不均勻，結構核心筒壓應力要比外框架小，在豎向荷載作用下會引起結構內外筒的不均勻變形。由于結構超高，荷載較大，構件體積龐大，混凝土用量很大，所以混凝土的收縮徐變對結構的豎向變形有很大影響。

因主體結構外包玻璃幕墻，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結構豎向變形差的影響。本文主要考慮施工過程混凝土收縮、徐變對結構豎向變形差的影響。

1、非荷載作用效應產生機理

外框柱作為主要的豎向承重構件，在豎向荷載作用下會產生很大的豎向變形，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)，其影響在設計和施工中均需專門考慮。

2、混凝土收縮徐變影響分析

2.1 對結構構件的影響。由于內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件小，造成對內筒混凝土的收縮及重力荷載作用下徐變的約束增強。這種約束使混凝土筒體“卸荷”轉移至外框架柱，使外框住“增荷”效應增大。與此同時連接筒體一外框柱之間的混凝土梁在連接部位應力增大。

2.2 對層高的影響。豎向內筒因后期混凝土收縮徐變產生的豎向壓縮變形，可能會引起下部樓層層高有一定數量的減小，這個問題不但對非結構構件有影響，同時還會影響到需要嚴格控制層高標準的電梯的使用。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、混凝土收縮徐變計算理論

3.1 混凝土抗壓強度和彈性模量隨時間的變化。混凝土抗壓強度在一定情況下隨齡期單調增長，但增長速度漸減并趨向收斂。采用規范CEB-FIPMC90中關于混凝土抗壓強度以及彈性模量隨齡期增長的計算公式。

3.2 混凝土收縮及徐變。混凝土收縮及徐變相采用參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTGD62-2004中的相關計算公式。

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長期的過程，雖然相當一部分收縮變形在結構施工期出現，但后期的混凝土收縮仍在繼續，而且核心筒厚度較大，體表面積大，水分蒸發量減小，收縮也會減小。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。混凝土徐變增長可延續數十年，但大部分在前1至2年出現，前3至6個月發展最快，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生在結構頂部，也不是發生在結構底部，而是發生在結構中部或者中部偏上。核心筒與框架柱的最大變形均發生在27層附近，從底部到27層，結構豎向變形隨樓層增加而增加，從27層到結構頂部，結構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)、豎向壓應力差異、施工過程中構件長度的調整等因素的影響。因而實際工程中結構布置的變化、使用功能及荷載的不同等因素都會影響計算結果。

5、混凝土收縮徐變對策及結論

由于結構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別。豎向變形量及變形差的最大值一般發生在結構中部或者中部偏上，呈現出兩頭小，中間大的趨勢。采用以下對策可減小豎向構件的變形差：

(1)從混凝土制作工藝上嚴格控制容易引起混凝土徐變的不利因素。通過試驗確定混凝土合適的配合比，并據此精確計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力水平盡量保持一致，以消除收縮徐變影響。

(3)控制轉換外框柱的壓應力水平，適當增加型鋼，增加配筋量。

(4)針對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構不同高度處的層高預留不同后期縮短變形的余量的方法，保證電梯等設備的后期正常實用。

(5)在施工和使用期間，建立一套完善的變形監測系統，并在施工期間根據監測數據隨時調整后期的預留量。

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