超高層框架—核心筒結構中混凝土的徐變與收縮分析

孫吉朋

摘要： 以成都市某超高層框架-核心筒結構為例，通過ETABS軟件建立相關模型并施加荷載，分析了結構內部混凝土徐變和收縮沉降引起的梁的附加彎矩和剪力對結構產生的附加作用。結果表明該結構中混凝土的收縮和徐變差異性較小，在施工過程中采取一些補償措施即可消除混凝土收縮和徐變產生的影響。

Abstract： Take a super high-rise frame-core tube structure in Chengdu as an example， and set up the model by ETABS software and apply loads， to analyze the additional effect on the structure because of the additional bending moment and shear force of the beam caused by the concrete creep and shrinkage settlement of the internal structure. The results show that differences of the shrinkage and creep of concrete in the structure are small， and the effect of shrinkage and creep of concrete can be eliminated by taking some compensation measures in the construction process.

關鍵詞： 超高層結構；框架-核心筒；徐變；收縮

Key words： super high-rise structure；frame-core tube；creep；shrinkage

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）03-0112-02

0 引言

為了滿足人們對高層建筑日益增長的需求，框架-核心筒結構應運而生。框架核心筒結構是由核心筒和外框架組成的。核心筒一般采用鋼筋混凝土剪力墻，并在核心筒剪力墻底部設置內埋型鋼，外框架柱通常采用鋼筋或鋼管混凝土柱。核心筒結構的外框架柱與核心筒剪力墻之間通常會存在由于豎向壓縮產生的彈塑性變形，而結構中混凝土的收縮和徐變會使壓縮變形進一步發展[1-2]。本文以成都市青羊區商貿中心為例，應用有限元軟件分析結構中混凝土徐變和收縮產生的不均勻沉降對樓層彎矩及剪力產生的作用，進而判斷混凝土收縮和徐變對該工程整體產生的影響。

1 工程概況

擬建工程位于成都市青羊區，為一座超高層商貿中心，主體結構為框架-核心筒結構，地上64層（地下5層），頂部另有裝飾性結構，主樓結構屋頂高261.4m。地下室主要為商場、配電室及停車場，其局部區域設置為戰時人防地下室。主樓右側擬建一座層高為30m的6層裙房，結構與裙房連為一體。

2 徐變與收縮分析

外圍框架柱與核心筒剪力墻之間的相對豎向位移是由上部豎向結構體在自重應力下產生的瞬時彈性壓縮引起的[3]。在超高層框架-核心筒混凝土結構內，除了彈性壓縮以外，隨著時間的增加，混凝土的徐變和收縮也會增加相對豎向位移[4]。

對擬建工程進行分析，應用ETABS軟件建立模型（圖1）研究在基于假設的施工時間內，J05和G8（見圖2）上的框架柱以及中心核心筒剪力墻在長期荷載作用下（100%恒荷載、80%附加恒荷載及20%活荷載）每個樓層中的不均勻沉降、彎矩和剪力，并計算了柱與墻的高度校正來彌補到當時為止已發生的徐變及收縮[5]。

3 相對沉降和附加彎矩

對兩根典型的梁-連接軸線J05處的框架柱與核心筒的梁，以及連接軸線G8處的框架柱與核心筒的梁進行研究。在第3層（型鋼混凝土梁）并每隔五層（鋼筋混凝土梁）檢查梁的設計。在重力荷載作用下，豎向構件的瞬時彈性、徐變及收縮產生的相對豎向沉降是影響結構穩定性的重要因素。應用Visual Basic/EXCEL得到結構內部的徐變和收縮沉降，由沉降引起的彎矩可由ETABS軟件進行計算，時間設定為梁的施工日到第一萬天之間，計算核心筒與外框架柱之間的相對沉降。表1列出核心筒與框架柱之間的不均勻沉降。最大相對沉降位于第64層（J05柱與核心筒之間為48.44mm，G8柱與核心筒之間為50.85mm）。

框架柱與核心筒剪力墻由梁連接。二者之間的相對沉降會在梁內額外增加彎矩和剪力，因此需要對附加荷載下梁內額外增加的彎矩和剪力進行校核，梁可設計為雙向兩端固定的梁。

假定混凝土的彎矩慣性會減至50%，與國外采用的35%相比更為保守。由不均勻沉降造成的附加彎矩如表1所示。可以看出最大附加彎矩位于第64層（連接J05柱與核心筒的梁為306kN·m，連接G8柱與核心筒的梁為427kN·m）。因為鋼材的彈性模量較大，第3層的型鋼混凝土梁內的附加彎矩明顯大于每隔五層的鋼筋混凝土梁。

4 梁的設計

梁的總內力需要量可由徐變和收縮引起的附加彎矩和ETABS分析得出的內力組合計算得到：工況1：1.15D+CSadd+1.3L+1.28W；工況2：1.2（D+0.45L）+1.1CSadd+1.2E+0.3W。CSadd是徐變和收縮引起的內力變化。各層梁的最大彎矩和剪力如表2所示。鋼筋混凝土梁的最大剪力和彎矩位于第64層，第3層的型鋼混凝土梁支撐的剪力和彎矩比鋼筋混凝土梁大。

從分析中可以看出，核心筒和框架柱在施工過程中以及施工后都發生了較為明顯的豎向沉降，但其相對差異并不大，不會造成大的內力鎖定，因此不會對結構造成明顯影響，但仍需在施工過程中采取補償措施[6]。

5 結論

框架柱與核心筒剪力墻之間的不均勻沉降使得梁內產生了附加彎矩和剪力。部分樓層的總彎矩中有超過50%來自附加彎矩。除第5層外，梁的控制彎矩和剪力都位于連接框架柱的一端。梁的彎矩和剪力需要量隨高度增加而增加。由于鋼材的彈性模量較高，在型鋼混凝土梁內產生了較大的附加力。為調整彎矩和剪力的抵抗能力，需要調整梁的縱向筋直徑和數量，但典型梁的設計尺寸無需調整即可支撐附加力的需求量。

參考文獻：

[1]趙漢青，賀世偉，潘文，等.高層框架-核心筒結構考慮加載方式及混凝土收縮徐變影響下的豎向位移差分析[J].科學技術與工程，2012，12（12）：3005-3009.

[2]董松，閆維明，賈洪，等.超高層鋼管混凝土柱框架-核心筒結構施工階段收縮徐變分析[J].施工技術，2014（16）：102-107.

[3]堯國皇，于清.高層鋼管混凝土框架-混凝土核心筒混合結構的豎向變形差分析[J].建筑鋼結構進展，2014，16（1）.

[4]張文華，黃忠海，劉付鈞，等.超高層框架核心筒結構混凝土長期收縮徐變效應分析[J].結構工程師，2016，32（1）：169-175.

[5]丁潔民，王世玉，吳宏磊.黏滯阻尼伸臂桁架在超高層結構中的應用研究[J].建筑結構學報，2016，37（s1）：48-54.

[6]梁富華，韓建強，甘海峰，等.超高層框架-核心筒結構豎向變形差的實測與分析[J].建筑結構學報，2016，37（8）：82-89.