某超高层考虑混凝土徐变收缩的施工模拟分析.pdf

广东土木与建筑 GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2013年6月 第6期 JUN 2013 No6 1考虑混凝土徐变收缩变形对结构影响的 原因和目的 根据JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规 程的要求，高层建筑结构在进行重力荷载作用效应 分析时，柱、墙、斜撑等构件的轴向变形宜采用适当 的计算模型考虑施工过程的影响。 1.1结构变形的组成 在施工过程中，塔体结构的变形来源于结构自 重和施工活荷载对结构产生的作用，且按实际逐层 搭建、逐层加载的模式与计算模型中一次性加载的 模式引起的结构内力会有较大的不同，特别是高度 较大的超高层结构，将产生明显的差异。 主体施工完成后，装修施工阶段结构增加的变 形来自装饰面层、隔墙等非结构构件恒载，在使用阶 段塔体结构所增加竖向变形则主要来源于活荷载。 而无论在施工阶段还是使用阶段，温差效应及长期、 短期沉降差和混凝土的收缩、徐变等非荷载作用对 变形产生的影响将贯穿整个过程。 1.2考虑混凝土徐变收缩变形影响的原因 混凝土随着作用在其上的压应力时间的持续， 将持续发生徐变变形。 徐变变形对超高层钢筋混凝 土建筑结构的影响相对较大，其原因如下： 超高层建筑结构竖向构件总高度大，故其在 长期受压状态下的累计徐变变形大； 超高层建筑结构重力荷载随施工逐层增加， 竖向构件达到相当水平的压应力时， 混凝土尚处于 较短的龄期状态，这时徐变变形较大； 超高层建筑结构抗侧刚度构成和抗侧力、延 性以及使用功能的需要， 要求部分主要抵抗水平力 的竖向构件（如核心筒）重力荷载下压应力水平低于 其它竖向构件， 从而更使竖向构件间累计徐变变形 差异大。 混凝土发生徐变时，通常伴随着混凝土收缩变形 同时发生，其变形规律十分接近徐变变形，且与徐变 变形同向，从而加大了竖向构件的后期变形。 两者叠 加后，可能使超高层建筑结构竖向构件在后期由非荷 载引起的塑性变形达到一个量级而不容忽视， 故分 析其对结构的影响是必要的。 1.3考虑混凝土徐变收缩变形影响的目的 通过进行考虑混凝土徐变收缩影响的施工模拟 分析，考察竖向构件长期变形对以下两方面的影响： 楼面水平平整度和层高；结构构件，特别是两端 某超高层考虑混凝土徐变收缩的施工模拟分析 杨 诚 （广州瀚华建筑设计有限公司广州510655） 摘要：对一幢53层的框架核心筒结构考虑混凝土徐变收缩变形对结构构件的影响，分析表明，考虑了混凝土的徐变收缩 后变形差反而比不考虑时要小，采用核心筒与框架梁铰接的形式减小了核心筒与周边框架之间因竖向变形差异产生的附加内力。 关键词：竖向变形差； 施工模拟 Construction Simulation Analysis of a Super High-rise Building Considering Concrete Creep and Shrinkage Yang Cheng （Guangzhou Hanhua Architects+Engineers Co.，Ltd.Guangzhou 510655，China） Abstract：In this paper，frame core tube structure of a building 53 stories in considering the deformation of concrete creep and shrinkage deformation on the impact of structural members. Analysis shows that the deformation difference，but not considering the elastic deformation difference to small considering the creep and shrinkage of concrete，the hinge core barrel and frame beam in the form of reduced between the core and the perimeter frame because the additional internal force of vertical deformation difference. Keywords：differential shortening between columns and core-wall；construction simulatio 14 图1结构标准层平面 T-4 T-A 54000 Z1 W 2700 3300575010400970027003300575010400 36000 17902440 1770 3500 300055001790 2440 1770 3500 30005500 杨 诚： 某超高层考虑混凝土徐变收缩的施工模拟分析JUN 2013No62013年6月第6期 产生竖向变形差异的梁。 当上述影响达到一定程度而不可忽略时， 应采 取相应对策和措施，以对建筑使用、结构构件提供可 靠的质量保证。 2某工程考虑混凝土徐变收缩变形影响的 具体实现 2.1工程概况及结构特点 本项目为一栋综合楼，地下3层，地上53层，建 筑总高度234.7m， 两向的高宽比分别为6.3和4.1。 基础采用竖向刚度及承载力均较高的桩筏基础，结 构受力体系由外框架+核心筒组成，如图1。 水平荷 载产生的剪力和倾覆弯矩由外框架和核心筒共同承 受，其中剪力主要由核心筒承担，倾覆弯矩由外框架 与核心筒共同承担。 本工程外围框架柱压应力水平相对较高、内部 筒体压应力水平相对较低，弹性压缩变形为外围柱 大、内筒处小，外框与内筒之间产生竖向压缩变形 差。 竖向压缩变形差会对建筑使用和结构受力带来 一系列不利影响。 如条件允许，应尽量控制外框架 柱混凝土的压应力水平，或适当增加外框柱的含钢 量或配筋量，以减小其压缩变形。 一般情况下，普通钢筋混凝土构件压应力水平 高则徐变变形大，故对单纯的钢筋混凝土结构徐变 变形通常会加剧内筒与外框柱之间的压缩变形差， 连接两者的楼面梁支座沉降差异将会增加，但受弯 的混凝土梁同样也具有收缩徐变特性，故支座沉降 差的增加并不一定会导致梁内力有较大增加。 本工 程外围框架柱在下部楼层采用型钢混凝土，其徐变 收缩变形将小于普通钢筋混凝土，长期的徐变收缩 变形是加剧还是减缓外框内筒之间的变形差异，有 待通过具体分析加以验证。 2.2分析软件 本工程采用MIDAS Gen软件，通过模拟实际施 工中结构逐层搭建和加载的方法， 考虑混凝土和型 钢混凝土随时间变化的徐变收缩特性， 来分析混凝 土徐变收缩变形对结构的影响， 计算终止时间为主 体封顶后1年，预估总共为746d。 计算公式和基本假定 a.徐变收缩： 混凝土徐变收缩采用JTG D62- 2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范中的相关公式计算；型钢混凝土徐变则参考徐培 福主编的复杂高层建筑结构设计3中考虑含钢率 对混凝土徐变影响的相关公式。 b.混凝土抗压强度随时间变化：采用欧洲规范 CEB-FIP的相关公式。 3混凝土徐变收缩变形影响的结果分析 3.1对楼面水平平整度和层高的影响 竖向内筒、外框因后期混凝土收缩徐变产生的竖 向压缩变形，一方面会引起下部楼层层高有一定数量 的减小，另一方面由于两者存在的变形差，将对差异 较大处楼层的水平平整度也产生不利影响， 容易导 致楼面由外向内倾斜。 下面详细分析这两方面的具 体影响程度。 以T-4轴T-A轴处的框架柱（MIDAS显示编号 为Z1）和核心筒在与T-4轴交点处（MIDAS显示的 编号为W）（具体位置如图1），来分析徐变收缩变形 对内筒外框变形差的影响。Z1及核心筒点W考虑 施工模拟后的竖向压缩变形曲线如图2。 本工程中123层采用型钢混凝土柱，23层以 上采用普通钢筋混凝土柱。封顶后半年，由图2可见， 在框架柱为型钢混凝土的范围内，23层处两点间最 大的总竖向压缩变形差约为3mm， 而两点的弹性压 缩变形差为11mm；在框架柱为普通钢筋混凝土柱的 范围内，41层处两点间最大的总变形差为3.5mm ，弹 性变形差则为8mm，可见考虑了混凝土的徐变收缩 后变形差反而比不考虑时要小，主要是由型钢混凝土 的徐变小于普通混凝土的徐变造成的，可见变形差对 楼面水平平整度的影响甚微。 徐变收缩对层高的影响方面，Z1处在变形曲线 沿高度变化率较大的下部楼层， 弹性压缩约使层高 15 图2竖向压缩变形 位移m 楼层 00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 Creep_subShrnk_subElst_subTtl_sub 訳 Z1点处訴 W点处 位移m 楼层 00.004 0.0080.012 0.0160.02 0.0240.028 0.032 0.0360.04 0.0440.048 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 Creep_subShrnk_subElst_subTtl_sub 广东土木与建筑JUN 2013No62013年6月第6期 减小1.7mm，考虑了徐变收缩影响后，总压缩约使层 高减小3.3mm， 故因徐变收缩变形引起的下部楼层 层高减小仅为1.6mm，可见影响甚微。 3.2对结构构件的影响 内筒外框竖向压缩变形差，即是连接两者框架 梁两端支座的沉降差，直接在框架梁中产生附加内 力，当变形差较大时，由该变形协调引起的附加内力 可能会达到控制梁端配筋的程度，严重时造成梁端 的超筋。 一般设计软件没有考虑徐变收缩的影响， 通常徐变收缩会使框架梁的附加内力有减小的趋 势， 当考虑徐变收缩后附加内力数值仍然大到不可 忽略的程度时，则需采取相应的措施（一般可在梁端 设置施工铰），有效减小附加内力。 本工程采用MIDAS Gen软件，分别对不考虑 徐变收缩影响、考虑徐变收缩影响、考虑徐变收 缩影响并在与核心筒相交的梁端设置施工铰等3种 不同条件下的结构进行详细的施工模拟分析， 比较 三者的差异，分析附加内力的大小及变化，从而判断 是否需要采取在施工阶段设置临时铰的应对措施。 设置“施工铰”的目的是为了在施工阶段放松由 压缩变形差引起的框架梁端的附加弯矩，实际施工 时的做法为：在附加弯矩集中的梁端（框架梁与核心 筒剪力墙平面内相交处）附近部位预留后浇梁段，使 其类似计算模型中的梁端设铰，则在主体施工阶段 内筒外柱的压缩变形差基本不会在该梁端引起弯 矩，只会产生一定的剪力。 待主体封顶后，这时占总 重力荷载大部分的结构自重已施加完毕，实际由于 施工流水作业的安排，也应有部分的隔墙及装修荷 载已施加完成，且至封顶时对于整个结构的相当部 分混凝土已有一定的时间持续，即竖向构件已发生 较大部分的弹性压缩变形及徐变收缩变形。 然后再 考虑对该后浇梁段进行混凝土封堵，则相应的框架 梁只会承担封堵 之后增加的少量 装修荷载和活荷 载引起的附加内 力，从而使其承载 力大部分发挥在 抵抗外荷载的贡 献中，而不是浪费 在为硬抗协调变 形而产生的巨大 的附加内力中。 临时 “施工铰” 具体的程序实现做法为， 采用 MIDAS Gen软件进行施工模拟分析时，考虑在施工 进行阶段于定义的边界组中将相应的框架梁端设 铰， 主体施工完成后则钝化该部分边界组相当于取 消梁端铰，并卸除施工阶段活荷载，再由主体结构去 承受后加的恒载、活载、风载及地震等作用，计算中 同时考虑混凝土徐变收缩的影响。 以典型的T-4轴T-AT-E轴的框架为例， 进 行了3种模型的最终竖向荷载作用弯矩对比（图略）， 可得出以下结论： 考虑了混凝土的徐变收缩后，梁端弯矩有所 降低。如第40计算层，不考虑徐变收缩模型的弯矩为 1095kN.m，考虑徐变收缩后弯矩则降为788kNm ，下 降了28%。 设置施工铰后，梁端弯矩进一步降低。 如第 40计算层，施工设铰模型的弯矩为531kNm，与考 虑徐变收缩模型的弯矩788kNm相比，下降了33%； 与不考虑徐变收缩模型的弯矩1095kNm相比，下降 了52%。 设施工铰对附加弯矩的降低的相对比例较 大， 但降低的绝对值不算太大。 相对于竖向计算弯 矩，设施工铰减小了附加弯矩564kNm，查得考虑 地震作用组合的梁端控制弯矩约为1900kNm，虽 然考虑施工铰约可降低配筋30%，但即使按SATWE 正常计算的弯矩配筋，配筋率（1.3%左右）也在较合 理的范围， 考虑到施工铰留设的梁端后浇块对施工 难度及复杂程度均有一定的影响，故综合考虑，本工 程可不考虑设施工铰的措施。 外框内筒竖向压缩变形差对框架梁造成的附加 内力在可以接受的范围，为方便施工，不需采用设置 施工铰的应对措施， 且按SATWE的计算结果进行 配筋设计是偏于安全的。 （下转第13页） 16 广东土木与建筑JUN 2013No62013年6月第6期 免了钢梁在楼面的转运次数。 因此D、E轴线位置的 钢梁一次性吊装就位，C轴线位置的钢梁在屋面转 运一次，钢梁提放屋面时下部垫设12根枕木，确保 楼面承受均布荷载作用，确保了安全。 整个吊装过 程用时4h（含吊车就位、移位及钢梁就位固定），吊 装完后梁、柱接头位置焊缝做探伤试验，均符合焊缝 的设计要求。 施工现场照片如图3所示。 5结论 结合建筑功能合理选用结构型式， 该项目大空 间屋盖采用钢结构可充分发挥其优异的结构性能。 同时针对项目的技术难点， 设计上对整体结构和复 杂的构件及节点应进行多个计算程序的精心计算及 对比，考虑方便施工、便捷安装等因素，对项目的顺 利建设提供了全过程的技术支持。 参考文献 1 中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术 措施M.中国计划出版社，2003 2 李星容等.钢结构连接节点设计手册1.北京：中国建 筑工业出版社，2005 3 陈绍蕃.钢结构设计原理（第3 版） .北京：科学出版社，2005 4 刘其祥.多高层房屋钢结构梁柱刚性节点的设计建议 J.建筑结构，2003 5GB 50017-2003钢结构设计规范S 图3施工现场钢梁安装照片 ! 4结论 分析结果表明，考虑了混凝土的徐变收缩后变 形差反而比不考虑时的弹性变形差要小，采用核心 筒与框架梁铰接的形式减小了核心筒与周边框架之 间因竖向变形差异产生的附加内力。 参考文献 1GB 50011-2001建筑抗震设计规范S 2JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程S 3 徐培福，等复杂高层建筑结构设计M北京：中国建 筑工业出版社，2005 食堂工程正立面的一块玻璃幕墙按原设计高度达到 13m，且整个幕墙的重量全部靠2层的悬挑梁支撑， 对于地震区来说危险性十分大，因此经过充分讨论， 决定将这部份幕墙改为固定窗幕墙，在确保安全的 基础上最大限度地保证外观效果。 4结语 在总结汶川特大地震震害经验的基础上，我们 积极采用建筑抗震新材料、新技术、新体系，所有建 筑单体均采用平面规则、 竖向刚度连续的设计以确 保建筑物能有效抗震。 施工过程中加强书面技术交 底、选择优质原材料、办理验收程序等施工环节，虽 然地震是难以预报的， 但房屋建筑的防震抗震能力 则通过精心的施工质量管理是可以实现的。 ! （上接第16 页） （上接第19 页） 13