施工过程中混凝土徐变对结构竖向变形影响的有限元模拟

施工过程中混凝土徐变对结构竖向变形影响的有限元模拟王强强;陈敏
【摘要】通过有限元模拟及算例验证,分析了高层建筑考虑施工过程中混凝土材料徐变对结构竖向变形的影响.分析表明,混凝土的徐变变形作用对柱的轴力影响不大,但对柱端弯矩影响较大;考虑徐变变形的柱端弯矩计算结果较没有考虑徐变变形的情况有显著减小.在考虑徐变影响的情况下,各层位移均有所增加,且两者的最大差值相差较大,很可能会影响结构的正常使用,在设计过程中不应忽视.该研究结果可为考虑高层建筑结构在施工过程中材料的徐变性能对结构内力的影响提供理论依据及分析方法.
【期刊名称】《南通职业大学学报》
【年(卷),期】2013(027)001
【总页数】4页(P79-82)
【关键词】徐变变形;施工模拟;竖向变形差;高层结构
【作者】王强强;陈敏
【作者单位】南通大学建筑工程学院,江苏南通226019
【正文语种】中文
【中图分类】TU973.12
0 引言
徐变是依赖于荷载且与时间有关的一种非弹性性质的变形。

这种随着荷载持续时间
的增长及材料随时间逐渐变化的变形，统称为徐变或徐变变形。

徐变对结构承载力极限状态的影响较小，主要影响结构的正常使用极限状态和耐久性，必要时需加以分析和验算[1]。

徐变是混凝土的固有性质，受其影响，超静定结构的变形和内力都会随时间不断变化。

随着高层建筑在现代社会的逐步发展，徐变所引起的种种问题越来越受到更多工程技术人员的重视。

一般的高层建筑结构施工周期长，体系复杂，在长时间的施工过程中混凝土的徐变会对结构的竖向变形产生影响，可能对结构产生不利影响[2-3]。

所以，考虑施工过程中混凝土材料自身的徐变对结构竖向变形的影响是十分必要的。

由于影响混凝土徐变的因素很多[4-5]，加之高层结构施工工期长，现场实际情况非常复杂，实际环境又对混凝土徐变的影响非常大，所以，要精确模拟施工过程中徐变的情况十分不易。

本文拟探讨施工过程中徐变对高层建筑结构影响的一种有限元简化分析法，但具体应用需考虑现场环境以及具体施工情况[6]。

1 混凝土徐变影响的有限元模型设置
在SAP2000中，考虑混凝土材料的徐变收缩采用的是ACI209规范的徐变推荐公式[7]，并根据高层建筑竖向构件在施工过程中的受力特点，建立钢筋混凝土轴压构件分批加载时徐变和分析的简化方法[8]。

图1 计算模型
本算例采用SAP2000有限元分析软件中自带的考虑徐变因素影响的分析功能，模型如图1。

其结构为2×2跨20层钢筋混凝土框架，每层跨距6 m，层高3 m，柱尺寸为600 mm ×600 mm，梁尺寸600 mm×300 mm，楼板厚150 mm，材料均为混凝土C30，不加活荷载。

每层划分为一个组，每个组定义为一个施工阶段。

取相对湿度为70%，构件名义厚度0.8 m，分步施工阶段添加新结构的混凝土的龄期为28天，每阶段施工时间为7天，相关参数的设置如图2及图3。

图2 徐变参数设置
图3 SAP2000施工阶段时间参数设置
2 混凝土徐变影响的算例分析
结合上述算例模型进行分析，结果见图4和图5。

由图4、5的分析结果可知，混凝土的徐变变形作用对柱的轴力影响不大，但对柱端弯矩影响较大，为方便对比，柱端弯矩值的大小取其绝对值的大小。

可以明显看出，考虑徐变变形的柱端弯矩计算结果较没有考虑徐变变形的情况有显著减小。

这正是由于混凝土的徐变缓解了结构构件中的应力集中，整体结构竖向构件间徐变变形差向减小的方向发展，使结构内力重分布，从而使柱端弯矩显著减小，如图6中虚线所示。

由图6的分析可见，结构在混凝土徐变变形的作用下，梁端的弯矩值显著减小；
而结合图5所示分析知柱端弯矩减小，由结构力学中知识知节点弯矩保持平衡，
可得到梁端弯矩减小这一结论。

这也验证了前面对柱端弯矩的分析。

而考虑徐变变形影响下的梁的跨中弯矩却显著增大，这是由于混凝土的徐变变形对结构产生作用，有一部分重力荷载从压应力水平高的构件向压应力水平低的构件转移，从而达到一个新的塑性变形协调使结构进行了内力重分布，这个荷载的转移来源于楼屋面梁刚度的贡献，而来源于楼屋面梁受力的影响也参与其中，使得徐变变形在减小柱端弯矩的同时却增大了梁的受力。

图4 柱轴压力模拟结果对比
图5 柱弯矩对比
图6 梁弯矩模拟结果对比
如图7所示，在考虑徐变影响的情况下，各层位移均有所增加，且两者的最大差
值相差较大，很可能会影响结构的正常使用，在设计过程中不应忽视。

由于在不考虑徐变影响的情况下所采用的模型为施工模拟模型，故最大位移并非发生在楼层顶部，而是接近于楼层中部。

图7 各层柱端竖向变形模拟结果
3 结语
本文主要介绍了徐变变形的基本概念及影响因素，并分析了其对高层混凝土结构的影响。

同时，根据徐变的基本原理，探讨了一种简化模拟徐变变形的方法，并进行了详细分析。

最后，使用SAP2000建模，利用其自带的徐变计算功能，模拟在施工过程中徐变变形对高层结构内力及变形的影响。

从分析结果可以看出，施工过程中混凝土的徐变变形对结构的内力变形影响很大，在实际设计施工过程中不应忽视徐变变形给建筑结构带来的影响。

参考文献：
[1]徐培福，王翠坤，肖从真.中国高层建筑结构发展与展望[J].建筑结构，2009，39（9）：28-32.
[2]喻永声.考虑施工因素的高层建筑结构性态[J].计算结构力学及其应用，1986，3（1）：67-73.
[3]方永明，韦承基，戴国莹.高层建筑结构施工模拟分析的剖析[J].上海铁道大学学报，1997，18（4）：50-54.
[4]李浩，唐圣业，陈璞.两种高层建筑施工模拟快速计算方案[J].工程力学，2006，23（7）：87-92.
[5]周建龙，闫峰.超高层结构竖向变形及差异问题分析与处理[J].建筑结构，2007，37（5）：82-90.
[6]沈蒲生，高层混凝土结构设计与施工[M].北京：机械工业出版社，2008.
[7]徐培福，复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[8]曹志远.土木工程施工的施工力学与时变力学基础[J].土木工程学报，2001，34（3）：41-46.。