超高層混合結(jié)構(gòu)施工階段豎向變形分析

楊帆 蘆長(zhǎng)青

（1國(guó)家開放大學(xué)蘭州學(xué)院，2蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

本文的工程背景為“甘肅某超高層綜合體”，地下5層，主體地上39層。地下室主要為車庫及甲類核6級(jí)人防。地上1～7層為大堂、餐飲；9～18層為辦公；19～39層為酒店客房。房屋高度196m。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第11.3.3條，計(jì)算墻、柱構(gòu)件豎向變形差異時(shí)，宜考慮混凝土收縮、徐變的影響。在工程實(shí)際應(yīng)用中，需同時(shí)考慮豎向構(gòu)件的恒載彈性壓縮、收縮和徐變的施工模擬分析。國(guó)內(nèi)常用軟件在計(jì)算參數(shù)中，提供處理恒載計(jì)算的3種算法：一次性加載、施工模擬1（近似模擬施工過程方法）、施工模擬3（精確模擬施工過程方法）。

1 處理恒載計(jì)算的3種算法

1.1 一次加載法

在工程實(shí)際中，考慮施工工序的分析是符合現(xiàn)實(shí)模型的，一次性加載是一種理論化的假設(shè)，其兩者對(duì)于整體模型的分析結(jié)果不同。一次加載法會(huì)導(dǎo)致計(jì)算誤差。

1.2 施工模擬1法

模擬施工1的剛度是一次集成，再按樓層順序施加恒載，是一種近似的處理方式，是對(duì)效率和精度的折衷。在模擬施工加載的變形效果的同時(shí)又不會(huì)對(duì)計(jì)算效率造成太大影響。

1.3 施工模擬3法

模擬施工3采用分層剛度分層加載的模型，這種方式假定每個(gè)樓層加載時(shí)，其下面的樓層已經(jīng)施工完畢，由于已經(jīng)在樓層平面處找平，該層加載時(shí)下部沒有變形，下面各層的受力變形不會(huì)影響到本層以上各層，因此避開了一次性加載常見的梁受力異常的現(xiàn)象。這種模式下，該層的受力和位移變形主要由該層及其以上各層的受力和剛度決定。

2 計(jì)算模型和參數(shù)

2.1 加載參數(shù)

豎向恒載下，考慮彈性壓縮、收縮和徐變的施工模擬分析，需采用MIDAS/Gen程序完成，其模型和恒載分析參數(shù)基本與SATWE和MIDAS/Building的模型相同。施工加載的樓層增幅按1層考慮（逐層加載），樓層施工持續(xù)時(shí)間按10天考慮，構(gòu)件材齡按設(shè)計(jì)齡期28天考慮。

2.2 收縮、徐變系數(shù)

根據(jù)《CEB-FIP model code 1990》，考慮材料徐變和收縮的特征值，28天齡期的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010采用，環(huán)境年平均相對(duì)濕度按50%考慮，構(gòu)件理論厚度按2Ac/u計(jì)算，其中Ac為構(gòu)件截面積、u為構(gòu)件與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度，水泥按普通硅酸鹽水泥考慮，收縮開始前的混凝土齡期按3天考慮。圖4、圖5為C60、C40混凝土的徐變系數(shù)和收縮系數(shù)曲線。標(biāo)準(zhǔn)試件混凝土的極限收縮應(yīng)變?yōu)?.24x10-4。

2.3 型鋼混凝土柱的修正

由于程序暫不能考慮型鋼混凝土構(gòu)件的收縮和徐變，需將型鋼混凝土構(gòu)件按軸向剛度和抗彎剛度相等的原則等效為混凝土構(gòu)件。型鋼柱的含鋼率較高，對(duì)收縮和徐變有減小作用，因而可將型鋼視作鋼筋，按《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》（王鐵夢(mèng)）的建議數(shù)值進(jìn)行修正。由于計(jì)算程序尚無法對(duì)部分構(gòu)件的徐變和收縮值進(jìn)行修正，本次計(jì)算按兩種極端情況進(jìn)行，一種為完全按鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算柱、墻的收縮和徐變，另一種為完全不考慮型鋼柱的收縮、徐變，然后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析綜合。

3 施工階段豎向變形分析結(jié)果

3.1 恒載彈性壓縮變形分析

1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果的分析，對(duì)于恒載彈性壓縮變形，不考慮施工模擬時(shí)的最大值發(fā)生在頂部，而考慮施工模擬加載時(shí)的最大值發(fā)生在中部樓層（19層），呈魚腹形。

2）豎向變形較大的19層構(gòu)件，由于壓縮變形，引起豎向構(gòu)件墻和柱的最大絕對(duì)變形為11.3mm,最大差異變形為4.9mm。由于剛性連接水平構(gòu)件的存在，該差異變形會(huì)引起水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件內(nèi)力的變化，使得軸向變形較大的構(gòu)件（一般為柱）軸力減小，軸向變形較小的構(gòu)件（一般為墻）軸力加大，即卸載作用。

3.2 混凝土徐變分析

1）對(duì)于徐變變形，不考慮施工模擬時(shí)的最大值發(fā)生在頂部，而考慮施工模擬加載時(shí)的最大值發(fā)生在中部樓層（19層），呈魚腹形。

2）圖1為19層構(gòu)件的豎向變形平面，由于徐變變形，引起豎向構(gòu)件墻和柱的最大絕對(duì)變形為5.7mm，最大差異變形為1.8mm。圖2為差異徐變引起的19層梁彎矩圖，框架梁在外圍柱處產(chǎn)生了正彎矩，在核心筒處產(chǎn)生負(fù)彎矩。外圍框架柱產(chǎn)生拉力，核心筒產(chǎn)生壓力。墻體徐變小于柱徐變。

圖1 施工階段徐變壓縮變形圖（19層）

圖2 施工階段徐變的梁彎矩圖（19層）

3.3 混凝土收縮分析

1）圖3為典型框架柱和墻體采用施工模擬分析和一次加載的收縮豎向變形圖。由圖可見，對(duì)于收縮變形，不考慮施工模擬時(shí)的最大值發(fā)生在頂部，而考慮施工模擬加載時(shí)的最大值發(fā)生在中部樓層（19層），呈魚腹形。墻體收縮大于柱收縮。

圖3 施工階段收縮變形（Z1、Q1）

2）圖4為19層構(gòu)件豎向變形平面，由于收縮變形，引起豎向構(gòu)件墻和柱的最大絕對(duì)變形為3.3mm,最大差異變形為0.4mm。圖5為差異收縮引起的19層梁彎矩圖，框架梁在外圍柱處產(chǎn)生負(fù)彎矩，在核心筒處產(chǎn)生正彎矩。外圍框架柱產(chǎn)生壓力，核心筒產(chǎn)生拉力。

圖4 施工階段收縮變形圖（19層）

圖5 施工階段收縮的梁彎矩圖（19層）

4 結(jié)論

目前的普通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般只考慮施工模擬分析下的恒載彈性壓縮變形，而徐變、收縮和沉降的影響很少考慮，對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)，特別是混合結(jié)構(gòu)，根據(jù)前面的分析，如果要考慮其影響，需要把以上不利附加內(nèi)力疊加到SATWE和Building程序的計(jì)算結(jié)果中。

考慮徐變、收縮和沉降的不利影響和附加內(nèi)力，根據(jù)分析結(jié)果針對(duì)設(shè)計(jì)過程提出相應(yīng)加強(qiáng)措施。本文僅對(duì)施工階段豎向變形進(jìn)行分析，所提計(jì)算結(jié)果的處理方法對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)提供了可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。