混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

曾樹佳，劉春花，陳 明

（1.廣州建筑股份有限公司，廣東 廣州；2.廣州一建建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 廣州）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)如今我國(guó)大部分的房屋建筑采取混凝土結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，建筑整體施工荷載、質(zhì)量、幾何形體都在隨著時(shí)間不斷的變化[1-2]，這種變化累積會(huì)導(dǎo)致豎向變形差逐漸增大[3]，從而產(chǎn)生較大的附加彎矩，影響構(gòu)件的安裝與使用，降低了結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量同時(shí)增大了結(jié)構(gòu)分析的難度[4]。

傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體分析時(shí)一般是一次成型的，在計(jì)算過(guò)程中未考慮結(jié)構(gòu)補(bǔ)償措施。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在混凝土?xí)r變特性的影響下[5]，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在不同施工階段存在差異，在模擬分析時(shí)，要考慮結(jié)構(gòu)的時(shí)變效應(yīng)[6]。林其濤等[7]以某高層為研究對(duì)象，采取精準(zhǔn)模擬法進(jìn)行施工過(guò)程模擬分析，結(jié)果顯示考慮收縮徐變分析與實(shí)測(cè)值復(fù)合較好；尹偉康等[8]以某超高層為研究對(duì)象，研究了結(jié)構(gòu)在重力荷載長(zhǎng)期作用下，混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)體系水平變形影響較小，對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形影響較大，豎向變形最大值在中上部樓層。趙建[9]等以某超高層巨型混合結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，分析了混凝土彈性模量發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形的影響，結(jié)果顯示混凝土收縮徐變對(duì)超高層結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力影響較大。

為了使模擬分析更加的精確，本研究采取CEB-FIP（1990）[10]規(guī)范中的混凝土收縮徐變模型[11]，分別用一次加載法和精準(zhǔn)模擬施工法對(duì)結(jié)構(gòu)各個(gè)施工階段進(jìn)行模擬分析，使用生死單元技術(shù)一步一步激活”生死單元”，同時(shí)激活施工步驟對(duì)應(yīng)的施工階段荷載，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 模擬分析方法

1.1 CEB-FIP（1990）徐變模型

根據(jù)規(guī)范CEB-FIP（1990）模型規(guī)定，徐變模型采取滯后彈性變形和塑性變形相加的徐變系數(shù)表達(dá)式。混凝土徐變系數(shù)的計(jì)算公式為：

混凝土徐變系數(shù)為：

圖1 混凝土徐變系數(shù)模型

1.2 收縮應(yīng)變（CEB-FIP 1990 模型）

根據(jù)規(guī)范CEB-FIP（1990）規(guī)定。素混凝土構(gòu)件在未加載情況下的平均收縮（或膨脹）應(yīng)變的計(jì)算式為：

式中：t 和ts為混凝土的齡期和開始收縮（或膨脹）時(shí)的齡期和天；Ac為構(gòu)件的橫截面面積，mm2；u 為與大氣接觸的截面周界長(zhǎng)度，mm。混凝土收縮應(yīng)變模型見圖2。

圖2 混凝土收縮應(yīng)變模型

1.3 一次加載法和精準(zhǔn)模擬施工法

根據(jù)結(jié)構(gòu)的加載分析方式，結(jié)構(gòu)施工模擬分析方法分為一次加載法和精準(zhǔn)模擬施工法。一次加載法就是通過(guò)整體全部加荷載獲得各個(gè)施工階段變形響應(yīng)之和。精準(zhǔn)模擬施工法就是層數(shù)不斷的增加，結(jié)構(gòu)組、荷載組、邊界組不斷變化，每一個(gè)施工階段結(jié)束后即對(duì)結(jié)構(gòu)剛度矩陣進(jìn)行重組，對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行補(bǔ)償，僅反映某一階段的變形情況。

2 工程概況

本工程某學(xué)校綜合體育館共五層，其中地上四層，地下一層，樓層標(biāo)高18.6 m，混凝土等級(jí)采取C40，屋蓋造型采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50 年，地震設(shè)防烈度為7度，按中震彈性設(shè)計(jì)，水平地震影響系數(shù)最大值0.23，場(chǎng)地土類別為Ⅲ類，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。基本風(fēng)壓（重現(xiàn)期100 年）:0.50 kN/m2，基本雪壓（重現(xiàn)期100 年）：0.30 kN/m2，取雪荷載和活荷載中的大值。模型見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)模型

3 模型建模

3.1 模型建立

模型梁板柱單元主要通過(guò)CAD 三維模型導(dǎo)入Midas/gen，并賦予結(jié)構(gòu)單元、尺寸、材料和邊界特性。

3.2 結(jié)構(gòu)施工階段劃分

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模擬分析采取10 天一層，根據(jù)模型劃分結(jié)果，CS1 至CS5 各施工階段模型見圖4。

圖4 CS1 至CS5 施工階段結(jié)構(gòu)模型

4 施工模擬結(jié)果對(duì)比分析

模型在一次加載法和精準(zhǔn)模擬施工法分別作用下的結(jié)構(gòu)變形見圖5、圖6。其中圖中包含徐變、彈性收縮、收縮、總變形四種變形。一次加載法變形見圖5。精準(zhǔn)模擬施工法見圖6。

圖5 一次加載法變形

圖6 精準(zhǔn)模擬施工法

從圖5 可以看出變形呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從圖6中可以看出每個(gè)施工階段變形呈現(xiàn)“中間大、兩頭小”的規(guī)律。

根據(jù)兩種計(jì)算方法得到結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，見表1。

表1 模型結(jié)果對(duì)比

從表1 可以得出一次加載法峰值均在頂層，精準(zhǔn)模擬施工法均在第2 層；一次加載法徐變、收縮、總變形均大于精準(zhǔn)模擬施工法，并且變形值將近是精準(zhǔn)模擬施工法的2倍。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)CEBFIP 1990 模型，通過(guò)采取一次加載法和精準(zhǔn)模擬施工法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，結(jié)構(gòu)表明：混凝土收縮徐變對(duì)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形會(huì)有影響；采取精準(zhǔn)模擬施工法最大豎向總變形值呈現(xiàn)“中間大、兩頭小”的規(guī)律，應(yīng)該加強(qiáng)中間樓層變形的控制。