变形分析与控制

（一）核心筒整体变形控制

在高层钢框架—钢筋混凝土核心筒混合结构中,由于框—筒竖向构件的材料不同、应力不同以及混凝土的收缩和徐变、施工安装的时间差、结构不同部位的温度差等影响, 将导致竖向构件之间的竖向变形差异, 其中钢构件的压缩大于混凝土构件的压缩。由于同一结构中不同竖向构件的材料特性及应力水平的差异，将导致这种混合体系产生显著的竖向变形差。根据国内外多个工程实测表明：若不包括温度变形，钢筋混凝土柱的弹性变形和徐变、收缩变形之和大约每400m高度可达100mm，徐变和收缩变形之和约为弹性变形的两倍。这些与时间和环境相关的变形将使结构随时间发生显著的内力重分布，也会给非结构构件带来不利影响，还可能影响设备的安装和使用。

为了能尽可能的控制核心筒的整体变形，我们应对各种变形的原因进行分析，找出对应的解决措施。

1、混凝土结构徐变

混凝土在持续荷载作用下会发生徐变变形，徐变的存在会使混凝土结构的强度降低，缩短其使用寿命。混凝土是一种主要用于承受压力的脆性材料，其抗压强度远远高于抗拉强度。混凝土生产徐变的原因，一般认为是由于在长期荷载作用下，水泥石中的凝胶体产生粘性流动，向毛细管内迁移，或者凝胶体中的吸附水或结晶水向内部毛细孔迁移渗透所致。从水泥凝结硬化过程可知，随着水泥的逐渐水化，新的凝胶体逐渐填充毛细孔，使毛细孔的相对体积逐渐减小。在荷载初期或硬化初期，由于未填满的毛细孔较多，凝胶体的迁移较容易，故徐变增长较快。以后由于内部移动和水化的进展，毛细孔逐渐减小，徐变速度愈来愈慢。

徐变是混凝土这种粘弹性材料的重要性质之一。通常对于混凝土结构会因为徐变而使得变形不断增大 ,或者带来预应力损失 ,人们十分熟悉。但是另一方面,徐变会使混凝土的温度或其他收缩变形受约束时产生的应力得到松弛。事实上 ,长期以来结构混凝土因为各种收缩变形受约束而并未引起广泛开裂的重要原因,是早期强度增长较缓慢的混凝土徐变松弛作用显著的结果。以一组数据来说明徐变的作用[1 ]:设混凝土达到温峰后下降幅度为 3 0℃ ,其弹性模为 3 0ＧＰａ,线胀系数 1 0× 1 0 -6,如果不存在徐变 ,则引起的拉应力可高达 9ＭＰａ ,显然任何普通混凝土都无法承受这样大的应力而产生开裂,由此可见徐变的影响之大。徐变与混凝土强度通常是反向发展的，使普通混凝土原来具备开裂后的自愈能力完全丧失 ,因此一旦混凝土开裂就无法再愈合 ,而且在外界荷载与环境条件 (包括干湿、冷热循环 )作用下继续收缩,使裂缝会进一步连通和扩展。

1.1、徐变产生的机理分析

徐变是指在固定应力或荷载作用下，应变随时间的增长而继续不断发展的一种现象。它是一个复杂的物理和化学过程，将其主要机理分为:

1）在应力作用下、在吸附水层的润滑作用下，水泥胶凝体的滑动或剪切所产生的水泥石的粘稠变形。

2）在应力作用下，山于吸附水层的渗流或层间水转移而导致的紧缩。

3）由于水泥胶凝体对骨架(由骨料和胶体结晶组成)弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性变形。

4）由于局部破裂(在应力作用下发生微裂及结晶破坏)以及重新结晶与新的联结而产生的永久变形

1.2、混凝土徐变的影响因素

混凝土的徐变和许多因素有关。水灰比较小或混凝土在水中养护时，同龄期的水泥石中未填满的孔隙较少，故徐变较小。水灰比相同的混凝土，水泥用量愈多，即水泥石相对含量愈大，其徐变愈大。混凝土所用集料弹性模量较大时，徐变较小。此外，徐变与混凝土的弹性模量也有密切关系。一般弹性模量大者，徐变小。混凝土徐变还与集料级配、粗集料最大粒径、养护条件、受荷应力种类、温度等因素有关。根据混凝土徐变的机理，可得出影响混凝土徐变的主要因素:

徐变与混凝土强度通常是反向发展的，使普通混凝土原来具备开裂后的自愈能力完全丧失 ,因此一旦混凝土开裂就无法再愈合 ,而且在外界荷载与环境条件 (包括干湿、冷热循环 )作用下继续收缩 ,使裂缝会进一步连通和扩展。国内水泥这些年来的变化 ,也促使混凝土的徐变能力发生了同样的演变。

徐变变形规律

(1)当应力水平相对较低时(如图)，在持续荷载作用下，其变形虽然随着时间的增加而有所增长，但增长速度缓慢，试件在持续荷载作用下历时一个月而未破坏．这可能是由于存在某一应力水平(长期强度)，当持续荷载在这一应力水平以下时，构件不会发生徐变破坏。

应力水平为70％时徐变变形曲线

(2)当在较高应力水平时(如图)，其变形随时间的增加不断增长，直至构件发生徐变破坏．这类徐变曲线一般可以分为3个阶段：在第1阶段，徐变速率随时间的增长逐渐减小，该阶段是混凝土由瞬时弹性阶段向徐变变形转化的过渡阶段，称为徐变减速阶段；在第2阶段，徐变速率随时间的增加变化很小，徐变曲线接近直线，称之为稳定徐变阶段，混凝土内部的微裂缝在该阶段开始萌生与扩展；到了第3阶段，微裂缝得到进一步扩展并贯通为宏观裂纹，该阶段中的徐变速率随时间的增加不断增大，并最终导致材料破坏，称之为徐变加速阶段。

应力水平为85％时徐变变形曲线

混凝土的收缩和徐变密不可分，两者同时对结构的长期变形产生影响，不能把两者完全孤立开。收缩和徐变作用机理不同，收缩是不依赖于荷载的一种变形，而徐变是依赖于荷载的一种变形，此收缩和徐变要根据其影响机制正确对待。混凝土的收缩和徐变对钢筋混凝土结构的变形影响较大，尤其是收缩会引起比较大的附加变形。

收缩量(X10 )

（月）

混凝土结构收缩曲线图

2、风载影响

本工程塔体高度将达+432米，受到风力、日照、温差等多种动态作用的影响，核心筒顶部处于偏摆运动状态。根据类似工程的监测研究表明，塔心在一个白天的位移轨迹，是一个未闭合的近似椭圆形，预测广州西塔核心筒顶部施工期间的摆幅可能会大于15厘米。其中越到顶部，风力对结构的影响越大。

高层建筑的主要荷载为水平荷载，风荷载是建筑的设计荷载之一,也是高层建筑,高耸建筑的主要荷载之一。风速的脉动以及横向风涡流的频繁将引起结构顺向风和横向风振动，甚至产生扭转耦合振动，失稳，弛振及颤振。当结构的自振周期与风振周期接近一致时，有可能使建筑倒塌。历史上因为风振造成的工程结构坍塌事故实有发生。美国塔科马港湾上的第一座塔科马桥就是在竣工四个月后的1940年11月7日毁于68千米/小时的风振。同地震作用相比，风力作用极其频繁且持续时间比较长，因此风力的影响比地震大的多。高层建筑对风的动力作用比较敏感，建筑物越柔，自振周期越长，风的动力作用也就越显著。如果在强风作用下产生过大的水平位移和振幅，会使建筑物产生一定的损害或者由于风振引起构件的疲劳破坏。为了使高层建筑在风力作用下不会发生倒塌，结构开裂和过大的残余变形，就必须研究高层建筑在风振作用下的变形情况，进而采取合理的风振控制措施。因此研究风对工程结构的作用规律具有重要的现实意义。高层建筑风振变形的研究主要是研究风振对高层建筑物倾斜，水平位移，竖向变形，不同层面间的扭转变形。风振测量的方法，常用的是风洞模拟法和现场直接测量法。为了掌握风振作用下高层建筑物的竖向变形和不同层面的扭转变形，我们可以采用现场直接测量的方法，根据试验获取的数据进行分析，可以对高层建筑在风振作用下的变形规律进行初步的总结，并且在有条件的情况下，建立相应的数学模型，定性定量地分析风振对高层建筑产生的影响。

受风载影响，西塔外筒钢结构和核心筒部分摆动比较大，为了尽量减少风载对筒体结构变形的影响，我们每12层设置一个测量转化层，并且定周期复核，防止误差累积。具体操作步骤参见工程测量部分主塔楼垂直度控制部分。通过精确的定位，完全可以将风载的影响控制在容许范围内。