試論高層框-筒混合結(jié)構(gòu)施工期間豎向變形控制措施

1、試論高層框-筒混合結(jié)構(gòu)施工期間豎向變形控制措施    摘要：鋼框架一鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系的豎向變形差異的發(fā)生是必然的。本文具體闡述了該結(jié)構(gòu)體系豎向變形差的影響因素，并從四個(gè)方面提出了減小豎向變形差的工程對(duì)策，對(duì)高層框-筒混合結(jié)構(gòu)變形控制具有一定參考意義。 關(guān)鍵詞：鋼框架一鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)；豎向變形差；工程對(duì)策 鋼框架一鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)是指由外鋼框架與混凝土核心筒體所組成的共同承受豎向和水平作用的高層建筑結(jié)構(gòu)。它將鋼框架輕質(zhì)高強(qiáng)、施工速度快的特點(diǎn)和鋼筋混凝土核心筒抗壓強(qiáng)度高、防火性能好、抗側(cè)剛度大的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，是最近十多年來(lái)迅速發(fā)展的一

2、種結(jié)構(gòu)體系，目前已建成的超高層建筑中約有80%的建筑采用了該結(jié)構(gòu)體系。但隨著建筑高度的不斷增高，施工期間該結(jié)構(gòu)體系的變形問(wèn)題也逐漸凸顯。因此，隨著高層混合結(jié)構(gòu)體系的蓬勃發(fā)展，如何認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)體系在各種時(shí)變因素影響下的變形規(guī)律，不僅對(duì)施工組織與施工質(zhì)量影響巨大，且對(duì)施工安全和結(jié)構(gòu)體系的安全也意義重大。 1豎向變形概述 施工期間混合結(jié)構(gòu)體系的變形問(wèn)題，主要有豎向變形問(wèn)題及水平變形問(wèn)題。相對(duì)豎向變形問(wèn)題，水平變形問(wèn)題不是那么突出。因此，基于篇幅所限，本文主要探討豎向變形問(wèn)題。 超高層建筑尤其是具有鋼框架一混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系的豎向變形差異是必然要發(fā)生的。原因如下：與外鋼框架柱相比較，混凝土核心筒水平截面

3、面積要大得很多，然面，就重力荷載面言，核心筒所承擔(dān)的是各層樓面的內(nèi)圈荷載，而外鋼框架柱所承擔(dān)的是較大范圍的外層樓面荷載，以及維護(hù)墻的自重。盡管鋼材的彈性模量大致是混凝土的10倍，但所承擔(dān)的豎向荷載要比核心筒大，其工作應(yīng)力與彈性模量的比值要比混凝土大。因此，外鋼框架柱的彈性縮短將大于核心筒的彈性縮短。隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，自重引起的累積豎向變形差異將越來(lái)越大。此外，外鋼框架中柱與邊柱由于承擔(dān)荷載的不同，也會(huì)產(chǎn)生累積變形差異。更重要的是，整個(gè)施工期間核心筒的混凝土徐變、收縮在不斷開(kāi)展。徐變、收縮受到施工速度、混凝土材料早期強(qiáng)度及彈性模量，以及環(huán)境氣候條件等諸多因素的影響。并且由于施工方法的原因，核心

4、筒先行施工，豎向變形將先于外鋼框架，這都使得變形差異問(wèn)題變得更為復(fù)雜。豎向變形差異的存在，不僅影響到施工質(zhì)量，從設(shè)計(jì)的角度上看，豎向變形差異還會(huì)在水平構(gòu)件種產(chǎn)生附加內(nèi)力，影響結(jié)構(gòu)安全。對(duì)于50m以上的高層結(jié)構(gòu)，尤其應(yīng)該考慮豎向變形的影響。相鄰豎向構(gòu)件的變形差，就是施加于構(gòu)件之間梁或板的強(qiáng)制支座位移，使梁或板產(chǎn)生附加彎矩和剪力。若不采取適當(dāng)措施，附加應(yīng)力可能達(dá)到較大數(shù)值，甚至導(dǎo)致構(gòu)件開(kāi)裂。同時(shí)，還會(huì)造成樓板的變形，影響正常使用。而且，由重力荷載和混凝土收縮、徐變引起的柱的縮短，所造成樓板的傾斜，將是永久性的。 2豎向變形的影響因素分析 2.1徐變變形 徐變是指混凝土在應(yīng)力持續(xù)作用下，應(yīng)變隨時(shí)間不

5、斷增長(zhǎng)的現(xiàn)象。一般混凝土的徐變?cè)谇?6個(gè)月發(fā)展最快，大部分在前12年內(nèi)完成，但持續(xù)增長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)數(shù)十年。徐變能使混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度降低20左右；引起構(gòu)件的截面應(yīng)力和內(nèi)力重分布，使混凝土應(yīng)力減小，鋼筋應(yīng)力增大。在混凝土結(jié)構(gòu)總變形中徐變變形可達(dá)到彈性變形的24倍，徐變變形占總變形的比例可達(dá)2060左右，因此在高層豎向變形的計(jì)算中不可忽略徐變變形的影響。 在應(yīng)力用下至齡期t時(shí)的混凝土構(gòu)件的徐變應(yīng)變?yōu)椋?=C（） （1） C()=(10-140)×10-6(N/mm2)-1（2） C()=C（）=C()1-e-A()（3） 式中：為施加應(yīng)力時(shí)的混凝土齡期；為計(jì)算所需應(yīng)變的齡期；EC()為齡期

6、時(shí)的混凝土彈性模量值；為時(shí)刻混凝土構(gòu)件的徐變；C（）為單位應(yīng)力作用下的徐變度；C()為極限徐變度，一般情況下取均值70×10-6(N/mm2)-1；A為參數(shù)【1】。 2.2收縮變形 混凝土收縮是指因化學(xué)反應(yīng)、溫度變化、水分蒸發(fā)等引起的混凝土體積縮小。收縮變形是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，干燥初期發(fā)展較快，之后漸漸減慢，大部分收縮在前3個(gè)月齡期內(nèi)出現(xiàn)，但發(fā)展過(guò)程可長(zhǎng)達(dá)20年。在高層建筑施工過(guò)程中，需對(duì)混凝土收縮變形值進(jìn)行定量的分析計(jì)算，若條件許可，應(yīng)進(jìn)行混凝土試件的收縮試驗(yàn)，以測(cè)定其收縮變形值?；炷恋氖湛s計(jì)算公式較多，如：ACI209模型、CEB-FIP模型及日本土木學(xué)會(huì)方法等，本文主要介紹我國(guó)

7、混凝土收縮與徐變的試驗(yàn)研究專題協(xié)作組的推薦公式： (4) (4) (5) 式中：t為欲求收縮值的齡期,齡期t時(shí)的收縮值為齡期t時(shí)的初始收縮值；為考慮收縮各影響因素的收縮系數(shù)。 2.3溫度變形 當(dāng)前，建筑中空調(diào)設(shè)備的使用加大了室內(nèi)外溫差效應(yīng)，且由于柱、核心筒和墻等豎向構(gòu)件的材料不同從而在各構(gòu)件中引起了不同的伸縮量，造成豎向構(gòu)件之間的豎向變形差，同時(shí)，日照溫差及季節(jié)溫差也能引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向變形。由室內(nèi)外溫差引起的豎向構(gòu)件的任意截面的豎向變形量可按下式計(jì)算： （6） 式中：為線膨脹系數(shù)，可取10-5/；為任意截面的計(jì)算高度；、為室、內(nèi)外溫度。 2.4彈性壓縮 高層框-筒結(jié)構(gòu)建筑，豎向構(gòu)件外側(cè)鋼框架

8、柱和內(nèi)部核心筒的材料、構(gòu)造及截面尺寸均不同，在荷載作用下兩者的豎向變形不同，于是在兩者之間產(chǎn)生了豎向變形差。根據(jù)材料力學(xué)的公式： (7) 式中：FN為軸力；為構(gòu)件的原長(zhǎng)；E為彈性模量；A為構(gòu)件的橫截面積。 可推出任一樓層鋼框架柱的軸向壓縮為： (8) 式中：為第層處柱的軸向縮短；為每一樓層的荷載增量，假設(shè)為常數(shù)；h為樓層高度；A為同一樓層柱截面面積，假設(shè)為常數(shù)；m為所計(jì)算樓層以上的樓層數(shù)。 由(2)式求出各樓層的軸向縮短值之后，再求各樓層的柱長(zhǎng)校正值： =(9) 式中：為第樓層的柱長(zhǎng)校正值；為第層處柱的軸向縮短；為第層處柱的軸向縮短。 實(shí)際中，若對(duì)每個(gè)樓層的柱長(zhǎng)均進(jìn)行校正，計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜，且不

9、利于實(shí)際施工操作，實(shí)際計(jì)算時(shí)常采用樓層組優(yōu)化處理。即，每隔一個(gè)樓層段(如每隔35層)進(jìn)行一次柱長(zhǎng)校正值計(jì)算，再在施工過(guò)程中以樓層段進(jìn)行調(diào)整處理。 3豎向變形差異的施工控制策略 3.1結(jié)構(gòu)材料選用 由于純鋼柱的軸向抗壓剛度較弱，鋼框架與混凝土芯筒(剪力墻)的豎向變形差會(huì)增大。采用鋼管混凝土柱取代純鋼柱，可增大框架柱的軸向抗壓剛度，減小框架的彈性壓縮量，且能有效地提高柱的延性和抗火性能，可取得較好的經(jīng)濟(jì)性。 3.2合理安排施工進(jìn)度 合理地安排豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工順序和施工進(jìn)度，對(duì)控制結(jié)構(gòu)的豎向變形差異比較有效。為更好地控制結(jié)構(gòu)的豎向變形，應(yīng)在合理設(shè)計(jì)與采取有效施工措施的情況下，合理安排施工進(jìn)度。對(duì)于

10、高層鋼框架一混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，在施工時(shí)，核心筒領(lǐng)先施工能夠提前發(fā)展混凝土的徐變與收縮，從而減小柱、筒間的整體豎向變形差異。但因?yàn)榛炷恋男熳儭⑹湛s會(huì)引起連接柱、筒的鋼框架梁產(chǎn)生很大的附加彎矩和剪力，給構(gòu)件帶來(lái)強(qiáng)度破壞的危險(xiǎn)。當(dāng)核心筒領(lǐng)先施工的層數(shù)過(guò)大時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生反向差異(核心筒的豎向變形大干鋼框架柱)。因此，在安排施工進(jìn)度時(shí)，必須控制核心筒的領(lǐng)先施工層數(shù)。在施工實(shí)踐中，當(dāng)結(jié)構(gòu)的體型比較規(guī)則、簡(jiǎn)單，與當(dāng)?shù)匾呀üこ淘诮Y(jié)構(gòu)形式、高度上有較強(qiáng)的可比性時(shí)，施工單位可以根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和以類似工程的做法作為參考，來(lái)確定核心筒的領(lǐng)先施工層數(shù)。 3.3 豎向承重構(gòu)件補(bǔ)償施工 高層建筑結(jié)構(gòu)在施工期間所發(fā)生累積豎向變

11、形在時(shí)間序列上分成兩部分，其中第一部分是施工第n層前“已發(fā)生值”，即在施工第n層以前下部層已經(jīng)產(chǎn)生的累積變形n1，此部分在施工中被找平補(bǔ)償?shù)簦谶M(jìn)行結(jié)構(gòu)體系豎向變形計(jì)算中，要考慮這一因素對(duì)累積變形的影響。在高層建筑豎向變形計(jì)算當(dāng)中，考慮施工中的隨層找平補(bǔ)償，即針對(duì)每一層的剪力墻、柱所發(fā)生的n1進(jìn)行精確補(bǔ)償。此時(shí)，第n層的補(bǔ)償值，是本層的累積變形已發(fā)生值，減去下一層已經(jīng)被補(bǔ)償?shù)舻睦鄯e已發(fā)生值，即： dn=n1一(n-1)1 (10) 式中，dn為第n層剪力墻或柱的找平補(bǔ)償值；n1與(n-1)1 分別為本層與下一層的累積變形“已發(fā)生值”。在實(shí)際施工中，可通過(guò)調(diào)整每層模板的高度和混凝土的澆筑高度來(lái)實(shí)

12、現(xiàn)隨層找平補(bǔ)償。 3.4 做好施工期間的變形監(jiān)測(cè) 高層建筑結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)，為結(jié)構(gòu)施工期間的變形狀態(tài)提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)變形數(shù)據(jù)的分析和與理論計(jì)算的對(duì)比，可知曉結(jié)構(gòu)體系在當(dāng)前施工進(jìn)程下的變形狀態(tài)，并為確定下一個(gè)施工階段的變形控制措施提供了決策依據(jù)。通過(guò)“監(jiān)測(cè)一施工調(diào)整一監(jiān)測(cè)一再調(diào)整”的控制循環(huán)，能使整個(gè)施工階段高層建筑結(jié)構(gòu)的變形處于可控狀態(tài)。變形的監(jiān)測(cè)時(shí)間，應(yīng)當(dāng)在建筑結(jié)構(gòu)在施工期間其幾何形狀發(fā)生改變，以及施工環(huán)境發(fā)生較大改變時(shí)予以進(jìn)行：1)豎向變形監(jiān)測(cè)的實(shí)施，在每層核心筒與樓板施工前、后應(yīng)進(jìn)行；在樓板跟進(jìn)施工以前，鋼框架柱在首層柱安裝完畢后進(jìn)行首次觀測(cè)，以后在每個(gè)補(bǔ)償段段施工完畢后施測(cè)一次。2)首段核心筒先行施工，且在鋼框架還沒(méi)有跟進(jìn)施工時(shí)，處于完全懸臂狀態(tài)的核心筒由于沒(méi)有鋼框架的側(cè)向支承，且此時(shí)混凝土彈性模量較低，結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度小。因此在澆筑每層混凝土前應(yīng)進(jìn)行水平變形監(jiān)測(cè)。3)當(dāng)氣溫變化劇烈時(shí)，應(yīng)考慮溫度對(duì)豎向變形的影響，應(yīng)進(jìn)行豎向變形監(jiān)測(cè)；當(dāng)施工遇大風(fēng)天氣，應(yīng)進(jìn)行水平變形監(jiān)測(cè)。 參考文獻(xiàn)： 【1】惠