超高层建筑施工过程竖向变形控制

超高层建筑竖向变形控制1.变形差产生原因和危害与一般的多层利高层建筑相比，超高层结构的设计除了需要在结构体系选择、抗震设计、抗风设计等方面有更高的要求之外，还需要考虑非荷载作用下的结构变形和内力分析。

非荷载作用主要包括温度作用和混凝土的收缩、徐变以及地基的不均匀沉降等。

由于超高层结构高度可能在两三百米以上，以及不同竖向构件在压应力水平、材料等方面存在明显差异，还有混凝土材料的徐变、收缩等非荷载作用时，因此超高层结构必然产生不可忽视的竖向变形及差异。

在超高层建筑中，核心筒、角柱、边柱的竖向变形差异来自多个方面。

在竖向荷载作用下，各个部位垂直构件的截面轴向应力有高有低。

在结构施工时，核心筒施工往往先于周边框架柱施工，造成结构各部分受荷时间有先有后。

加上混凝土的弹性压缩、收缩、徐变以及温度变化等因素影响，最终会使得结构构件产生可观的竖向变形及变形差异。

这些变形将给设备安装带来不利影响，同时也会在结构中产生附加力矩。

常规结构设计中重力荷载一般采用线弹性静力分析，结构一次生成，荷载一次施加，然后与活荷载、风、地震等荷载进行线性组合，而没有考虑结构的刚度、荷载是逐步完成的，实际上结构生成和重力荷载的施加是一个逐层生成的过程。

对于超高层建筑结构，不考虑整个结构随着施工过程逐层找平，重力荷载逐层施加这一实际结构生成状况，将使得上部结构过早参与下部结构的变形协调，引起结构尤其是上部结构变形和内力畸形。

2.国内外工程研究现状在国外，二十世纪七十年代以后，高层建筑的竖向变形筹问题逐渐引起人们的注意。

美国的Russell H G等人对两幢钢筋混凝十高层建筑竖向变形进行了跟踪测试，其中高197m的Lake Point Tower，经过3年后柱的最大轴向变形超过了200mm；高262m的Water Tower Place经过五年后柱与墙的轴向变形差超过23mm，虽然该建筑在层13～14设有刚性转换层，第32层为刚度很大的设备层，但竖向构件间的轴向变形差异依然很明显。

这些与时间和环境相关的超高层结构竖向构件变形及差异，将使相邻的结构构件及非结构构件产生附加应力，还可能影响设备的安装使用。

国内外的研究者对结构的竖向变形及著异问题进行了分析和探讨。

杨丽、郭忠恭研究了钢筋混凝土构件徐变和收缩的有关理论和公式，得竖向构件由于徐变和收缩产生的非弹性缩短，认为超过lOOm 的高层混凝土结构应该考虑徐变和收缩的影响。

3. 国内现行规范对竖向变形差的要求我国现行的《商层建筑混凝十结构技术规程》（JＧＪ３—２０10）要求在设计过程中对超高层结构考虑柱、墙竖向变形及差异问题进行考虑。

JＧＪ３—２０10中5.1.9条：宜超过5层。

表6.1是上海地区的统计结果。

4. 竖向变形计算方法在上世纪六十年代以前，考虑混凝土的徐变和收缩一直被认为是纯学术问题，而且主要是研究混凝土材料本身的依时特性。

直到七十年代国际上才逐渐研究高层建筑中混凝土徐变收缩引起的竖向变形问题，H.G．Rusell等撰文介绍了他们对两幢钢筋混凝土高层建筑竖向变形的跟踪测试，并提出了竖向变形的一种简化计算方法,但该方法假定结构一次性加载，不考虑结构施工逐步加载。

随着近十年来混合体系在世界各地的广泛使用，竖向变形差问题显得更加突出，形成了一些估算竖向变形的方法，如下图所示，竖向变形的计算流程目前的预测和估算方法和实际之间的差异主要有：(1)基本上为构件层次，没有考虑结构连续及内力重分布的调整作用：(2)没有考虑结构逐步成型的，不能利用最终结构进行计算；(3)超高层建筑施工过程中荷载(主要是自重)是逐步施加的；(4)没有考虑施工过程中逐层找平对竖向变形差异的调整作用。

这方面的理论研究已经滞后于工程实践的需要。

目前还没有完善的理论进行计算，比较准确的计算方法是施工模拟。

4.1 超高层建筑的施工模拟方法4.1.1 逐层激活算法为了避免一次加载或简化施工模拟方法引起的误差，在高层建筑结构设计中，应优先采用逐层激活法( 又称为逐步激活法) ，通过有限元软件中的“生死单元”技术，先将所有结构单元杀死，此时其自重、荷载等结构属性均为零，然后按结构实际施工顺序，逐层对结构单元进行激活，使其自重、荷载等结构属性恢复其初始值，直至整体结构最终形成。

这种“生死单元”技术，通过杀死未建结构单元，消除其刚度及荷载对总体刚度及计算结果的影响，可以精确模拟结构刚度逐步形成与各阶段荷载施加的详细过程。

逐层激活法在高层建筑内力及竖向变形计算中具有较为普遍的适用性。

该方法真实地反映了超高层建筑逐层施工的实际过程，但计算量相对较大。

4.1.2 分区激活算法超高层楼层数量很多，400m 高的建筑可达100层左右，施工模拟若采用逐层激活模型计算量很大。

故此，可以在逐层激活法的基础上，考虑采用分区激活法。

分区激活法是将超高层结构沿高度分为若干区段，每个区段包含若干个楼层，在施工模拟过程中，从下至上分区段依次激活。

这种方法计算量大大减小，计算结果误差不大。

4.1.3 特殊结构形式的施工模拟转换结构在实际工程中有多种形式，当上部荷载较大时，可以采用多层托梁转换的方式。

对于转换桁架或环桁架，通常构件高度占用2 ～ 3 个结构楼层，如果沿用逐层施工的模拟方式，将无法得到正确的内力与变形。

此外，对于空腹桁架、交错桁架、悬挂结构等跃层结构，也不能直接采用逐层施工模拟的计算方法。

对于跃层柱，应避免将通高构件形成无水平构件的多段柱。

正确选择在施工模拟中同时激活构件的范围非常重要，每步激活的构件均应能够形成承托上部结构或吊挂下部结构的稳定结构体系。

4. 2 收缩徐变的计算方法迄今为止，国内外对混凝土收缩徐变的产生机理、影响因素、计算方法等进行了深入的理论研究，并且将收缩徐变理论方法应用于建筑结构工程，对高层建筑结构的长期变形进行计算和预测，进而评估收缩徐变对结构受力性能的影响，以便在设计与施工环节采取适当措施减小收缩徐变对结构受力性能的不利影响。

目前用于高层建筑收缩徐变的计算方法主要基于线性徐变理论和叠加原理,超高层建筑徐变计算主要采用按龄期调整的有效模量法与基于叠加原理的逐步计算方法。

按龄期调整的有效模量法通过老化系数反映了混凝土随着时间的发展而不断变小的徐变能力，计算较为简便，精度较高。

在有限元软件中可以根据施工顺序设定按龄期调整的有效模量，徐变的问题可以转化为在弹性模量随时间变化的情况下求解拟弹性变形问题，从而简化了高层建筑等超静定结构的徐变计算，此方法已在上海环球金融中心等超高层结构徐变分析中得到应用。

基于叠加原理的逐步计算方法根据线性徐变理论和Boltzman 叠加原理，按照设定的施工顺序，将每个步骤施工荷载产生的徐变进行线性叠加，可以得到某龄期的徐变。

总变形量等于弹性变形、徐变与收缩量之和。

此方法在超高层建筑结构竖向变形计算中具有较好的适用性，并在上海中心大厦施工过程收缩徐变计算与竖向差异变形引起水平构件次内力分析中取得很好的效果。

5. 竖向变形差的消除方法对于超高层结构的竖向变形差异问题，可以从材料和结构两个方面来拟定解决方案。

从问题的本质来讲，控制徐变与收缩应首先从混凝土材料本身着手，调整混凝土的组成材料及配合比，采用合理的养护方法，尽量减小混凝土的徐变和收缩。

此外设计者应从结构构造方面来解决竖向变形差异问题，以下方案可供选择：1）【抗】为提高侧向刚度，减少水平位移，在某些超高层结构中常设置刚臂加强层。

由于刚臂具有很大的刚度，在设计时可考虑由它来承担竖向变形差产生的内力，充分地利用了刚臂对结构水平及竖向特性的贡献。

2）【放】在结构合适的位置设置柔性节点以适应结构的竖向变形差。

设计者可利用这些关键位置的少量柔性连接来“释放”由于混凝土徐变收缩所引起的次应力和次弯矩。

承重构件与非承重构件之间的柔性连接可避免承重构件将次应力传给非承重构件。

在巨型结构体系中，二级承重构件可通过特殊的节点构造将竖向变形差的影响限制在5-7 层，这层可看作一节，每节之间可以在竖向自由伸缩。

设计这种仅限制水平位移而不限制竖向位移的节点构造是关键。

3）【先放后抗】在水平构件与竖向构件的某些连接部位设置后浇带。

如在芯筒周圈与楼板的连接处设后浇带，从而有效地减少了在楼板中引起次应力。

4）【防】对钢筋混凝土结构建筑，调整竖向构件的配筋率、面积体积比、应力强度比，使各竖向构件的徐变、收缩特性基本一致，从而减小竖向变形差。

至于采用哪种设计对策来抵抗或适应变形差，应综合考虑结构的力学性能和经济性。

此外，拟定合理的施工方案，严格安排竖向结构构件的施工顺序和施工时间差，对控制结构的竖向变形差异也是非常有效的。

6. 施工过程变形差控制方法施工过程中的控制方法可分为两类，一类可称为被动适应方法，另一类可称为主动补偿方法。

6.1 被动控制方法被动方法是先施工徐变量较大的构件，待这些构件完成大部分徐变后再施工与之相连、相邻的构件。

以典型的芯筒外钢框架体系为例，混凝土芯筒常采用滑模施工，芯筒施工超前周边钢框架的安装和楼盖体系的施工。

一般超前的进度为5-15层，超前进度的多少应考虑施工工期和施工操作面的要求，同时考虑到使芯筒混凝土“提前”完成大部分的徐变。

6.2 主动补偿方法如果为了提高施工的整体进度缩短芯筒与周边钢框架之间时间差，可以采用主动补偿方法。

所谓补偿是指周边钢结构柱在下料时考虑到由于弹性压缩及混凝土徐变而产生的竖向变形差，以若干层为一段调整柱的长度，使各层的竖向变形差控制在很小的范围内，不至于给结构造成太大影响。

6.3 被动控制与主动补偿结合被动方法和主动方法在施工中可以同时使用。

7.施工过程楼层标高控制方法以上讨论的是变形差的问题，主要是从结构安全度方面考虑，目的是保证结构安全、设备运行合理。

除此之外，对于施工单位还有一个很重要的问题就是结构验收所面临的标高允许偏差问题。

对于高层建筑的竖向允许偏差，规范规定如下：1）JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程（P159）13.8.12允许偏差，每层10mm，全高30mm。

2）GB50204 混凝土结构工程施工质量验收规范（P36）表8.3.2.1允许偏差，每层10mm，全高30mm。

根据工程实测，实际超高层建筑物的竖向变形远远超过这个限制，如何在施工中满足规范限制，有施工找平法、预调高度法。

7.1 施工找平法施工中是把正在施工的楼层实时调整剑设计标高，从而补偿本层和之前已经产生的竖向变形。

这种方法适合较低的超高层建筑。

由于其后施工的楼层会使已经施工的楼层产生新的竖向变形，因此这种方法的适用性要根据最终变形量进行计算。

变形完成后，楼层的实际标高与设计标高的差异呈现中间大，两头小的特点，上海上海环球金融中心采用施工找平法模拟结果如下图所示。

这种方法的标高控制结果很难达到验收规范要求。