某超高层结构在非荷载作用下的变形分析

陈锦涛

中国建筑东北设计研究院有限公司深圳分公司

某超高层结构在非荷载作用下的变形分析

陈锦涛

中国建筑东北设计研究院有限公司深圳分公司

影响超高层结构变形的非直接荷载因素主要是混凝土的收缩和徐变。而影响结构变形的直接荷载因素有自重、活荷载、风荷载等。针对地处中国深圳地区的某高度为196.5m的超高层结构进行了施工过程模拟分析，研究非荷载因素对超高层结构变形的影响。

超高层结构；施工过程模拟；收缩徐变；弹性变形

位于深圳的某45层超高层建筑，总高度196.5米。采用框架核心筒抗侧力体系，外筒由型钢混凝土柱组成，核心筒为混凝土剪力墙，型钢柱设置至13层。

结构自重和结构施工活载等竖向荷载分布不均匀，结构核心筒压应力要比外框架小，在竖向荷载作用下会引起结构内外筒的不均匀变形。由于结构超高，荷载较大，构件体积庞大，混凝土用量很大，所以混凝土的收缩徐变对结构的竖向变形有很大影响。

因主体结构外包玻璃幕墙，核心筒剪力墙和周边框架柱的温度差异不大，暂不考虑温度变化对结构竖向变形差的影响。本文主要考虑施工过程混凝土收缩、徐变对结构竖向变形差的影响。

1、非荷载作用效应产生机理

外框柱作为主要的竖向承重构件，在竖向荷载作用下会产生很大的竖向变形，相比之下，混凝土核心筒在竖向荷载作用下的压缩变形较小。此外，核心筒和外框柱的不均匀压缩，无论是弹性的或者是非弹性的(包括混凝土的收缩及徐变)，其影响在设计和施工中均需专门考虑。

2、混凝土收缩徐变影响分析

2.1 对结构构件的影响。由于内筒混凝土的收缩徐变，外筒13层以下劲性柱的收缩徐变比纯混凝土构件小，造成对内筒混凝土的收缩及重力荷载作用下徐变的约束增强。这种约束使混凝土筒体“卸荷”转移至外框架柱，使外框住“增荷”效应增大。与此同时连接筒体一外框柱之间的混凝土梁在连接部位应力增大。

2.2 对层高的影响。竖向内筒因后期混凝土收缩徐变产生的竖向压缩变形，可能会引起下部楼层层高有一定数量的减小，这个问题不但对非结构构件有影响，同时还会影响到需要严格控制层高标准的电梯的使用。更为不利的是层高的变化是由下至上不断变化，即下部减少多，上部减少小。

3、混凝土收缩徐变计算理论

3.1 混凝土抗压强度和弹性模量随时间的变化。混凝土抗压强度在一定情况下随龄期单调增长，但增长速度渐减并趋向收敛。采用规范CEB-FIPMC90中关于混凝土抗压强度以及弹性模量随龄期增长的计算公式。

3.2 混凝土收缩及徐变。混凝土收缩及徐变相采用参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004中的相关计算公式。

4、基于模型分析的施工方案

采用通用有限元程序Midas Gen(Ver.836)的施工模拟分析模块进行分析，不但考虑了施工阶段影响，还在分析中考虑了混凝土收缩、徐变、弹性模量变化等因素。

4.1 核心筒竖向变形分析。核心筒的竖向变形主要是由荷载引起的弹性变形、收缩变形、徐变变形组成，核心筒沿楼层高度的竖向变形见图1，荷载引起的弹性变形仍是占主要部分。由于混凝土收缩变形是个长期的过程，虽然相当一部分收缩变形在结构施工期出现，但后期的混凝土收缩仍在继续，而且核心筒厚度较大，体表面积大，水分蒸发量减小，收缩也会减小。所以总体来看，在施工阶段，混凝土收缩引起的核心筒竖向变形所占比例不大。混凝土徐变增长可延续数十年，但大部分在前1至2年出现，前3至6个月发展最快，所以在施工阶段，徐变引起的混凝土核心筒变形分量所占比例较大。

4.2 外框柱与核心筒剪力墙的竖向变形量值及差异。从图2中可以看出，核心筒与外框柱的竖向变形及竖向变形差的最大值既不是发生在结构顶部，也不是发生在结构底部，而是发生在结构中部或者中部偏上。核心筒与框架柱的最大变形均发生在27层附近，从底部到27层，结构竖向变形随楼层增加而增加，从27层到结构顶部，结构竖向变形随楼层增加逐步减小。

图1 核心筒竖向变形

图2 外框柱与核心筒竖向变形差

墙柱竖向变形及差异受到施工加载顺序、混凝土收缩徐变(包括龄期影响)、竖向压应力差异、施工过程中构件长度的调整等因素的影响。因而实际工程中结构布置的变化、使用功能及荷载的不同等因素都会影响计算结果。

5、混凝土收缩徐变对策及结论

由于结构布置以及荷载的变化，不同位置的混凝土核心筒与外框柱的竖向变形及差异可能存在区别。竖向变形量及变形差的最大值一般发生在结构中部或者中部偏上，呈现出两头小，中间大的趋势。采用以下对策可减小竖向构件的变形差：

(1)从混凝土制作工艺上严格控制容易引起混凝土徐变的不利因素。通过试验确定混凝土合适的配合比，并据此精确计算在施工期间及使用期间收缩徐变量。

(2)外框柱与核心筒的压应力水平尽量保持一致，以消除收缩徐变影响。

(3)控制转换外框柱的压应力水平，适当增加型钢，增加配筋量。

(4)针对不可避免的混凝土收缩变形引起的变形问题，采取在建筑施工期间结构不同高度处的层高预留不同后期缩短变形的余量的方法，保证电梯等设备的后期正常实用。

(5)在施工和使用期间，建立一套完善的变形监测系统，并在施工期间根据监测数据随时调整后期的预留量。

[1] 唐兴国，钟铁毅. 北京电视中心高层钢结构施工模拟分析[J].北京交通大学学报，2006， 30(1)：59-62

[2] 董志君，李筱毅，阎培渝，欧阳蓉. 非荷载因素对超高层结构变形的影响研究[J]. 全国结构工程学术会议. 2012(6增刊)：165-168.