张楷如
广州名阳建筑设计有限公司 510000
摘要：本文某超高层框架核心筒结构为工程实例，考虑混凝土收缩徐变对结构的影响，对结构在施工过程中和服役期间的受力状态进行了模拟分析[1]，研究了竖向构件的变形组成及规律；对比了考虑收缩徐变的施工模拟过程和逐层加载过程中结构竖向构件内力的变化；研究了结构加强层伸臂桁架的施工顺序对结构内力的影响规律。
关键词：高层建筑；施工模拟；加强层；收缩；徐变
1、工程概况
某超高层建筑屋面高度为316m，5层地下室，地上通过结构缝分为塔楼和裙楼两部分。塔楼地上68层，地下5层，功能为商业性办公、仓储。塔楼主要平面为比较规则的矩形平面，外框筒平面尺寸为56m×56m，内框筒平面尺寸为28m x28m。平面尺寸在53层和68层两次通过斜柱收进，最终为48．6m×48．6m。54层以下标准层层高4．2m，54层以上标准层高3．6m。结构体系为带加强层的钢管混凝土外框柱混凝土核心简混合结构。通过分析对比，在结构21和43层设置加强层，提高外框和内筒协调工作的能力。核心筒内采用钢筋混凝土梁，核心筒外采用钢梁。连接框架柱和核心筒的钢梁除在加强层刚接外，其余楼层与框架柱刚接，与核心筒铰接。50年一遇的基本风压为础。=0．75kN／m2，抗震设防烈度为7度（0．19），抗震等级为核心筒特一级，框架一级。
2、计算依据
2．1 服役期间混凝土材料的时变性
混凝土徐变收缩对高层建筑结构影响的关键问题是确定收缩徐变引起的结构竖向构件的变形和不同构件的变形差。有关徐变和收缩的准确数值只能通过对结构所用实际配合比的构件进行长期试验观察才能得到，但很明显，这一思路是不切合实际的。这里采用ACl209规范[2]。所采用的徐变和收缩推荐公式，根据钢筋混凝土竖向构件在施工过程中的受力特点，建立钢筋混凝土轴向受压构件考虑施工分批加载时徐变收缩计算的简化方法。
2．1．1 混凝土徐变
在实际工程中，混凝土构件的徐变主要受荷载、加载龄期、构件厚度、持荷时间和环境相对湿度的影响最大，所以为了应用方便，可定义徐变系数为混凝土在单位应力作用下产生的徐变应变：
2．1．3 钢管混凝土柱收缩徐变
在长期荷载作用下，由于外包钢管的存在，影响了核心混凝土的徐变，在一定程度上降低了核心混凝土的收缩徐变程度。主要特点如下：①核心混凝土湿度变化受到钢管限制，徐变比普通混凝土小；②钢管与混凝土之间存在应力重分布，使混凝土徐变减小，混凝土不断卸载；③钢管混凝土徐变收缩早期发展很快，60d后减缓，一年后几乎停止；④在结构自重、附加恒载和幕墙荷载标准值作用下，钢管混凝土的钢管及其钢管内部混凝土的应力都处于较低水平，钢管对混凝土的套箍作用尚未形成，可不考虑该作用对混凝土收缩徐变的影响，计算假定两种材料满足变形协调条件。
李永进等[3]的研究表明：钢管混凝土中核心混凝土的徐变系数终值都明显小于分别按ACl209和CEB．FIP[4]计算的徐变系数终值，仅为按ACl209计算的24％～68％，仅为按CEB．FIP计算的22％～59％。在长期荷载作用下，建议采用0．9作为钢管混凝土的徐变系数终值。
2．2荷载及施工步骤
计算荷载主要为结构自重和楼面恒荷载、施工活荷载、幕墙结构自重以及塔式起重机附着力等的影响。楼面恒荷载为楼板自重，施工活荷载为1．0kN／m2。内爬塔式起重机附着力将按照塔式起重机爬升和附着工况，在分析过程中逐步改变加载位置。
将施工过程划分为18个步骤来进行施工模拟分析，每5层作为一个施工步骤，假定：①核心筒先施工，采取爬模施工，速度为5d／层；②核心筒外部楼面和外框柱在第25天开始施工，速度为5d／层，即外框柱施工滞后于核心筒5层；③主楼封顶后连接加强层桁架、加强层及斜柱层部分楼板；④主体结构施工至25层处幕墙施工开始，此时主体结构已施工125d，施工进度为6d／层，共需420d，即主体楼板结构封顶后180d幕墙施工完成；⑤幕墙施工完成半年后，所有装修面层、楼面活荷载完成。
3结构竖向变形
结构不同施工阶段及使用阶段竖向构件的竖向构件的竖向变形包括竖向荷载作用下的变形、徐变引起的竖向变形及收缩引起的竖向变形。
分别提取核心筒完成时刻、装修完成时刻和建筑使用10年3个不同时刻，外框柱各个高度上的竖向变形如图1所示。
图1 柱的竖向变形
由图1可知，随着结构高度的增加，外框柱竖向变形随高度先变大后变小，这符合结构实际的变形规律。结构上某点的竖向变形是其下部所有结构竖向变形的累积。处于顶部的节点，由于施工时间晚，承受荷载小，尽管其下部结构高度很大，但所引起的下部结构的应变很小；处于底部的节点，虽然施工时间早，承受荷载大，应变较大，但其离地面的高度较小，累积作用很弱，所以变形也小，结构的最大变形发生在结构中上部，外框柱的变形最终可达208．6mm，且随着时间的增长，最大值出现位置随楼层上移。
为考察外框柱在各阶段的变形组成比例，分别提取了主楼封顶时刻、装修完成后及建筑使用10年后外框柱在各个高度上的弹性变形、徐变变形、收缩变形以及总变形如图2所示。
图2 柱各阶段竖向变形的组成成分
由图2可知外框柱在不同时刻变形组成的变化。结构封顶时刻收缩和徐变引起的总变形占
38．9％，弹性变形占61．1％。装修完成后收缩和徐变引起的总变形占46．4％，弹性变形占53．6％。建筑使用10年后，收缩和徐变引起的总变形占53．6％，弹性变形占46．4％。可见，装修完成后，收缩徐变引起变形的增长逐渐缓慢，到建筑使用10年后，收缩徐变引起的变形略大于结构的弹性变形。在弹性变形阶段，考虑混凝土的收缩徐变时，混凝土承担的竖向荷载不断转移到型钢部分，型钢承担的竖向荷载将有所增加。但该内力重分配导致型钢承担的荷载增大，但外框柱的极限承载力不会受到影响。
核心筒施工完成后、装修完成时刻和建筑使用10年3个不同时刻核心简各高度上的竖向变形及累积总变形如图3所示。
图3 核心简的竖向变形曲线
核心筒的竖向变形和外框柱的竖向变形趋势相同，均为上下小、中间大，原因也与外框柱相似。结构的最大变形发生在结构中上部，变形最终可达278．8mm，且随着时间的增长，最大值出现位置随楼层上移。核心筒在各阶段的变形组成比例分析显示，收缩徐变引起的核心筒剪力墙的竖向变形略大于相应时期的框架柱。
由于外框柱和核心简的结构形式、材料特性不同，其竖向变形必然有所差异。计算表明，混凝土的收缩徐变是导致内外竖向变形差的重要原因。定义外框柱与核心筒的竖向变形差为核心筒竖向变形减去外框柱的竖向变形。可得结构施工完成后该竖向变形差随结构高度变化的曲线，如图4所示。
图4 竖向变形差变化曲线 图5 逐层加载及施工模拟所得柱轴力及弯矩
由图5可知，结构施工完成后，内外筒变形差较大值出现在约200m高度处，大概30mm之内，在结构高度大于250m以上区域，由于顶部剪力墙面积存在一定程度的缩减，导致核心筒剪力墙承受的竖向荷载加大，核心筒的竖向变形相对外框柱发展较快，框筒内外相对竖向变形加大。
4主要构件的内力
4．1 竖向构件
施工模拟分析及常规逐层加载分析结构主要构件的内力比较如图5所示。图中均取组合工况1.35D+0．98L（D为恒荷载标准值，L为活荷载标准值），二者均为分析结果。
由图5可知，考虑施工模拟时，外框柱的轴力均大于逐层加载的分析结果，且该差别在底部较为明显，上部逐渐趋于一致。考虑施工模拟时柱的弯矩也明显变大，并且在加强层均发生突变。但考虑到该轴力和弯矩相对于柱的极限承载力存在数量级上的差别，故该差别不会危及到结果的安全性。
4．2加强层桁架
经模拟分析可知，42层结构加强层桁架构件的轴力远大于下部加强层桁架；常规的逐层加载时，竖向荷载引起的桁架的最大轴力发生在伸臂桁架，为受拉15 334kN和受压18 459kN，环桁架的轴力最大为受拉3 537kN和受压3 166kN；施工模拟分析中竖向荷载引起的伸臂桁架最大轴力受拉10 357kN和受压11 341kN，环桁架最大轴力受拉2 647kN及1 973kN。
由此可见，在逐层加载过程中，由于结构的竖向不均匀变形，导致加强层桁架产生了附加的变形和内力，而在结构主体完工后再进行伸臂桁架和环桁架的施工，可大大减小该不利影响，降低桁架在竖向荷载作用下的轴力可达39％，可有效减小实际加强层桁架的截面尺寸。
分析比较可知，由于未考虑收缩徐变及施工顺序的影响，按照常规的逐层加载方法所得竖向构件的内力偏小，参考此内力进行设计的构件偏于不安全。加强层附近区域及结构顶部墙柱布置有较大变化区域该差别较为明显，设计时应考虑收缩徐变及施工顺序对构件内力的影响。加强层设计时，考虑逐层施工的常规设计方法所得的加强层构件往往构件截面较大，使得结构刚度突变太大，结构损伤机理难以呈现结构的延性屈服机制。若在设计时考虑到加强层后施工，将会对加强层加强构件的刚度有所降低，有利于节约材料和实现结构良好的抗震性能目标。
5 结语
本文采用核心筒先施工和加强层桁架后施工的施工方案，分析了超高层结构考虑收缩徐变影响的施工过程。经计算分析，可总结结论如下。
1）随着结构高度的增加，竖向构件竖向变形随高度先变大后变小，结构的最大变形发生在结构中上部。且随着时间的增长，最大值出现位置随楼层上移。
2）竖向构件的总变形中收缩和徐变引起的变形占较大比例，不可忽略。
3）考虑施工模拟时，外框柱的内力均大于一次性加载的分析结果，但该内力远小于外框柱的承载能力，设计时若外框柱承载力具有一定的富余量，则不会都结构受力状态产生影响。
4）在结构主体完工后再进行加强层加强构件的施工，可大大减小由于结构竖向不均匀变形产生附加内力的影响，降低构件内力，有效减小实际加强层桁架的截面尺寸，提高体系的抗震性能。
参考文献：
[1]范重，孔相立，刘学林，等．超高层建筑结构施工模拟技术最新进展与实践[J]．施工技术，2012.41（14）：l一12．
[2]AcI committee．Prediction of creep shrinkage and temperatureefkcts in concrete strIlctures[s]．Famington Hills，Mich，usA：American Concrete Institute．1992．
[3]李永进，廖飞宇．钢管混凝土中核心混凝土的徐变系数终值研究[J]，华东交通大学学报，2012，29（5）：7一12．
论文作者:张楷如
论文发表刊物:《基层建设》2015年17期供稿
论文发表时间:2015/12/8
标签：结构论文; 荷载论文; 混凝土论文; 构件论文; 桁架论文; 核心论文; 内力论文; 《基层建设》2015年17期供稿论文;