超高层结构竖向变形及差异问题分析与处理

第37卷第5期建 筑 结 构2007年5月超高层结构竖向变形及差异问题分析与处理

周建龙 闫 锋

(华东建筑设计研究院有限公司 上海200002)

[提要] 依据欧洲规范EC2关于混凝土弹性模量变化、徐变和收缩的规定,考虑施工顺序加载、混凝土徐变收缩、竖向构件压应力差异、施工过程中构件长度的调整等因素,结合屋顶高381m的南京紫峰大厦超高层结构,分析计算了超高层结构中组合柱与芯筒剪力墙的竖向变形及差异。结果表明,结构封顶后半年时,结构中部的型钢混凝土组合柱会产生最大80mm左右的竖向变形,芯筒剪力墙会产生最大70mm左右的竖向变形;组合柱与芯筒墙的最大竖向变形差可达12mm左右,发生在结构中部偏上。合理安排施工顺序可以使得竖向构件变形差在伸臂桁架中产生的内力较小。

[关键词] 超高层结构 混凝土 弹性模量 变化 徐变 收缩 竖向变形 差异

Analysis and Treatmen t of Vertical De format ion Differe nce of S uper High-r ise Bu ilding Z hou Jianlo ng,Yan Fe ng(Ea st China Arc hitectural De sign&Re se arch Insti tute Co.,Ltd.,Shanghai200002,China)

Abstrac t:The ver tic al defor ma tion difference of super high-rise building is analyse d c ombining w ith Nanjing Zifeng Ma nsion, of which roof is381me te rs hi gh,ac cording to pro visions about e lastic modulus,c reep and shrinkage in Eur ope an code.In

a nalysis,the fa ctors such as construc tion sequence,cree p a nd shrinkage of c onc rete,difference o f press stress of ve rtical

me mbe rs,a djust of c omponents on the proce ss of construc tion and etc a re c onsidered.The re sults of ana ly sis indic ate d tha t

c omposite c olumns occ ur the maximum ve rtical de for ma tion of about80mm,reinfo rc e

d c oncret

e co re shea r wall occ ur the

ma xi mum ve rtical defor mati on of about70mm at middle positi on of the structural height whe n half a year a fter the struc ture roof is c onstructed.The ma xi mum ve rtical de for ma tion difference betwee n co mposite columns a nd shear walls ac hieve s12mm

a ppro xi ma tely.I t is pointe d out tha t a rranging construc tion sequence in rea son will occ ur minor inte rnal force in outriggers

c oming from vertic al deformation diffe rence be twee n co mposite columns an

d sh

e ar walls.

K eyword s:superhigh struc ture;elastic modulus;concre te;c reep;shrinkage;ve rtical de fo rma tion differe nc e

0 前言

二十世纪70年代以后,高层建筑的竖向变形差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土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 To wer Place经过五年后柱与墙的竖向变形差超过23mm,虽然该建筑在层13~14设有刚性转换层,层32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[1,2]。现行的 高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3 2002)要求对超高层结构考虑柱、墙竖向变形及差异问题,但是对于如何考虑影响竖向变形差的各种因素没有明确规定[3]。文[4~7]从不同角度研究了钢筋混凝土构件由于混凝土徐变、收缩、温度作用和变荷载作用施工过程等对高层结构竖向变形的影响给出了高层结构竖向变形计算的相关公式和算例。

就工程实践来讲,以下问题必须考虑:1)施工过程中,正在施工的楼层标高会调整到设计标高,但是施工其上楼层时已经施工的楼层会因为弹性压缩、徐变、收缩产生竖向变形;2)混凝土的弹性模量、徐变、收缩和水泥材料类型、环境条件、施工进度、养护条件、施工顺序等因素有关,并且随时间不断发生变化;3)超高层结构的结构布置与荷载分布会随高度变化而发生改变。国内已有的研究对于上述问题没有全部考虑,与工程实际尚有一定距离。结合南京紫峰大厦工程,考虑施工顺序加载、混凝土收缩徐变(包括龄期影响)、竖向构件压应力差异、施工过程中构件长度的调整等因素,分析计算超高层结构中不同竖向构件的竖向变形和差异,以及竖向变形差对结构构件内力的影响。

1 超高层结构概况

南京紫峰大厦是一幢钢筋混凝土核心筒-型钢混凝土组合柱-钢梁并且设置三道伸臂桁架的超高层结构,共70层(不含夹层),屋顶高度381m。其主要抗侧力体系是内部巨型核心筒和外围型钢混凝土组合柱,在层10,35和60三个设备层设置高8 4m的外伸臂钢桁架把核心筒和组合柱连接在一起,另外与外伸臂桁架同一楼层的外围组合柱也通过设置斜撑构成环带桁架。其典型楼层结构平面和外伸臂桁架与带状桁架体

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系见图1,主楼结构抗侧力体系见图2。

紫峰大厦的钢筋混凝土核心筒剪力墙厚度为400~1500mm,从下到上逐步减小,混凝土强度等级由C60变化到C50;型钢混凝土组合柱的直径为900~1750mm,从下到上逐渐减小,混凝土强度等级由C70变化到C50,型钢含钢率在3%~10%范围内。紫峰大厦由低层到高层分别用作商场、办公、酒店,荷载随用

途而变化。

图1 典型楼层结构轴测图

图2 主楼抗侧力体系

2 计算原理和施工情况依据EC2规范

[8]

计算出混凝土随时间变化的弹性

模量、徐变和收缩。在计算中,使用等效弹性模量考虑混凝土弹性压缩和徐变产生的变形;使用等效温度降低考虑混凝土收缩产生的变形。

为了模拟弹性模量、徐变、收缩随时间的发展,以大约每6层为一组,把整个结构分成14个不同的组,假定整个结构以组为单位向上施工;按照施工进度,取每组施工时间的中间时刻,计算出相应的弹性模量、徐变、收缩;然后转换为等效弹性模量和等效温度降低。就整个结构来讲,随施工的不断进行,其中组的弹性模量、徐变和收缩也不断变化,并且结构与荷载也是逐个组向上施加,因此,按照施工顺序建立14个不同施工阶段的结构模型;这样,同一个组在不同施工阶段的模型中有不同的弹性模量、徐变和收缩值,同时也实现了按照施工顺序加载计算结构的竖向变形与差值以及由此引起的内力。不同竖向构件的轴向压应力差异在结构模型中被自然考虑。

由于地基不均匀沉降问题的复杂性,以及紫峰大

厦的地质条件较好,故暂且不考虑地基不均匀沉降对竖向变形差的影响。这是偏于安全的做法,因为核心筒的轴向压应力较小,其轴向压缩较小造成竖向变形小于周边柱的,但是由于其自重较大,地基沉降量会较大,从而减小剪力墙和柱的竖向变形差。

因为主体结构外包玻璃幕墙,芯筒剪力墙和周边组合柱的温度差异不大,所以不考虑温度变化对结构竖向变形差的影响。

在计算混凝土随时间变化的弹性模量、徐变、收缩时,需要明确施工中材料、环境条件、施工进度、施工顺序等情况。下面根据实际情况和工程经验对此做出假定:1)核心筒剪力墙和型钢混凝土柱中使用的水泥为快硬高强水泥;2)紫峰大厦施工环境相对湿度取为80%;3)型钢混凝土柱的加载时龄期取7d,核心筒剪力墙的加载时龄期取为15d;施工速度取5d 一层;4)核心筒领先周边组合柱6层施工;5)施工时恒载、附加恒载一起加上,忽略施工活载,活载在结构封顶半年后一次性加上;6)伸臂桁架的施工安排是首次施工到伸臂桁架时先临时固定,待施工到上一伸臂桁架层时再把下一伸臂桁架层中的伸臂桁架终固。3

芯筒剪力墙与组合柱间的竖向变形值及差异按照前述的计算原理和施工情况,计算了紫峰大厦周边组合柱及芯筒剪力墙在结构封顶后半年的竖向变形量值和差异。在周边组合柱和核心筒剪力墙中分别选取了对应的8个点,见图3,查看和统计出其竖向变形情况。为了节省篇幅,选择四组对应的柱墙列出图3 典型楼层结构平面布置

其计算结果,见表1。表中给出了考虑施工调整和不考虑施工调整两种情况下的柱墙竖向变形及差异。

实际上,施工中一般是把正在施工的楼层实时调整到设计标高,从而补偿本层和之前已经产生的竖向变形。但是其后施工的楼层会使已经施工的楼层产生新的竖向变形,这就是

施工调整之后的柱墙竖向变形及差异。如果不考虑施工中对正在施工和之前的楼层竖向变形进行的调整,就得到了不考虑施工调整时的柱墙竖向变形及差异。表1显示出,考虑与不考虑施工调整的计算结果差异很大,而与工程实践相符合的情况是考虑施工调整后的结果。图4直观地反映了是否考虑施工调整对于计算出的竖向变形及差异数值的影响。早期的竖向变形差异研究中就忽视了施工调整,但是随着研究的深入,

101

这一问题被正确认识。

从表1可以看出,一般情况下,组合柱与芯筒墙的竖向变形量及变形差的最大值既不是发生在结构顶部,也不是在结构底部,而是发生在结构中部或者中部偏上。图4(a)直观地显示出四组典型组合柱与芯筒墙的竖向变形量及竖向变形差沿高度的分布。 结构封顶半年组合柱与剪力墙竖向变形及差异

表1

楼层

层7层18层30层39层45层51层62层67标高(m)37 094 4144 7194 8217 6240 4297 0339 0C1竖向变形(m m)34 2859 21

74 13

80 15

78 61

73 69

42 97

23 91(不考虑施工调整)(39 95)(77 24)(109 14)(136 04)(149 15)(160 46)(178 40)(183 34)W 1竖向变形(m m)33 8356 2867 83

70 16

66 96

60 79

38 56

21 99(不考虑施工调整)(38 68)(72 64)(99 01)(120 37)(128 06)(134 97)(146 88)(154 56)柱墙竖向变形差(m m)0 452 936 309 9911 6512 904 411 92(不考虑施工调整)(1 27)(4 60)(10 13)(15 67)(21 09)(25 49)(31 52)(28 78)C3竖向变形(m m)35 0557 83

69 75

73 23

71 62

66 15

39 75

22 79(不考虑施工调整)(41 15)(78 64)(108 93)(133 74)(146 79)(158 33)(177

04)(182 90)W 3竖向变形(m m)33 2854 7265 44

67 40

64 35

58 49

37 22

21 15(不考虑施工调整)(38 27)(71 38)(97 06)(118 01)(125

69)(132 53)(144 30)(151 13)柱墙竖向变形差(m m)1 773 114 315 837 277 662 531 64(不考虑施工调整)(2 88)(7 26)(11 87)(15 73)(21 10)(25 80)(32 74)(31 77)C4竖向变形(m m)31 9654 80

63 54

62 51

59 14

50 52

20 41

(不考虑施工调整)(39 09)(75 96)(104 54)(127 94)(140 00)(149 61)(160 72) W 4竖向变形(m m)30 0247 8555 30

56 59

53 38

48 43

29 72

(不考虑施工调整)(35 63)(65 64)(88 69)(108 50)(116 12)(122 57)(133 29) 柱墙竖向变形差(m m)1 946 958 245 925 762 09-9 31 (不考虑施工调整)

(3 46)

(10 32)

(15 85)

(19 44)

(23 88)

(27 04)

(27 43)

需要说明的是,柱墙竖向变形及差异受到施工顺序加载、混凝土收缩徐变(包括龄期影响)、竖向构件压应力差异、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到计算结果,所以不同组的柱墙竖向变形及差异表现出有所不同的特点。例如柱C4在层63就已收掉,而墙W4则一直延伸到层70,所以在结构顶部出现了芯筒墙的竖向变形量大于组合柱的结果。

为了考察结构的竖向变形及差异随时间的发展情况,按照前述的计算原理,计算结构封顶后三年的组合柱与芯筒墙的竖向变形及差异,见表2。表1和表2的 结构封顶三年组合柱与剪力墙竖向变形及差异

表2

楼层层7层18层30层39层45层51层62层67标高(m)37 094 4144 7194 8217 6240 4297 0339 0C1竖向变形(m m)34 7361 46

79 24

88 65

88 59

84 60

51 35

29 17(不考虑施工调整)(40 47)(80 18)(116 67)(150 46)(168 09)(184 21)(204 80)(223 67)W 1竖向变形(m m)34 3058 59

72 91

78 30

76 20

70 64

46 77

27 27(不考虑施工调整)(39 22)(75 62)(106 44)(134 33)(145 73)(156 84)(178 17)(191 65)柱墙竖向变形差(m m)0 432 876 3310 3512 3913 964 581 90(不考虑施工调整)

(1 25)

(4 56)

(10 23)

(16 13)

(22 36)

(27 37)

(26 63)

(32 02)

比较反映出,随时间的发展,柱和墙的竖向变形量及变形差有所增大,但是增大幅度不大,而且外伸臂桁架使得差异变形的增加更为缓慢。

图4 C1与W1的竖向变形及差异沿高度的分布

4 芯筒剪力墙与组合柱的下料长度调整

在施工过程中,竖向构件会随着施工的进行而不

断发生竖向变形,而建造单位也会实时测量正在施工的楼层标高并且将其调整到设计标高。如果事先对施工过程中的竖向构件压缩量有个定量的估计,则可以使得施工中的标高调整工作更加方便,因为组合柱和芯筒剪力墙中的型钢是提前加工好的,在加工型钢的时候可以考虑到其竖向变形而预留出其压缩量。这里以正在施工的楼层达到其设计标高为标准,估算竖向构件的下料长度调整。图5给出了按照计算的组合柱C1,芯筒墙W1在各楼层段下料长度的预调整量,也就是施工相应楼层段时估算的竖向变形量,其中B4表示地下层4,S12表示地上层12。竖向构件的预调整量是以大约6层为一组表示的。

图5反映出,柱和墙在各楼层段下料长度的预调整量总体上表现出从结构下部到上部逐渐增大的特点。这是因为施工到上部楼层时,其下部结构的高度较大,从而压缩、徐变、收缩变形量较大,为补偿这些变形就需要较大的预调整量。

图5 各段下料长度的预调整量

5 竖向变形差异对伸臂桁架内力的影响

为了避免组合柱与芯筒墙之间的竖向变形差在伸

臂桁架中造成过大的内力,设定的施工情况是在初次

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施工到伸臂桁架层时先临时固定,通过伸臂桁架杆件端部的转动或滑动释放组合柱和剪力墙之间的竖向变形差,使得竖向变形差不在伸臂桁架中产生内力。待施工到上一伸臂桁架层时再把下一加强层的伸臂桁架终固。

终固一个加强层的伸臂桁架时,其上一加强层之上的楼层施工产生的结构竖向变形差就会在已经终固的伸臂桁架中产生内力。表3给出结构封顶后半年、活荷载加上之后,布置在核心筒三角形底边所在轴线和相邻轴线上的伸臂桁架中,由于组合柱与芯筒墙之间的竖向变形差产生的轴力及轴力应力比。其中TRO10-D1表示层10轴 T G上的伸臂桁架腹杆,TR O35-D2表示层35轴 TG上的伸臂桁架腹杆,结构的轴线位置见文[9]的图3。由于结构在层36时立面收进,轴 TG 上的伸臂桁架在层60~61之间不存在。

伸臂桁架由于构件竖向变形差产生的轴向力表3伸臂桁架TRO10-D1TRO35-D1TRO10-D2TRO35-D2T RO60-D2轴力(kN)28606936231129693320

轴力应力比0 0590 0880 0570 0610 065

从表3可以看出,竖向变形差产生的伸臂桁架内力比较小,基本不会影响其在抵抗风或者地震等侧向力作用时发挥作用。

6 结论

依据欧洲规范EC2关于混凝土弹性模量变化和收缩徐变的规定,考虑施工顺序加载、混凝土收缩徐变、竖向构件压应力差异、施工过程中构件长度的调整等因素,对一幢超高层结构进行了竖向变形及差异的分析研究,可以得到以下结论。

(1)超高层结构的竖向变形及差异分析必须考虑施工中把正在施工的楼层实时调整到设计标高,从而补偿本层和之前已经产生的竖向变形这一实际情况,才能得到与工程实践相一致的竖向变形及差异结果。

(2)由于结构布置与荷载分布的变化,不同位置的芯筒墙与组合柱的竖向变形及差异可能存在区别。一般来说,超高层结构芯筒墙与组合柱的竖向变形量及竖向变形差的最大值既不是发生在结构顶部,也不是在结构底部,而是发生在结构中部或者中部偏上。

(3)对于屋顶高度381m的的紫峰大厦来说,按照常规的施工做法,即把正在施工的楼层实时调整到设计标高,在结构封顶后半年的时候,组合柱产生的竖向变形最大约80mm,芯筒剪力墙产生的竖向变形最大约70mm,发生在结构的中部;组合柱与芯筒墙的最大竖向变形差可达12mm左右,发生在结构中部偏上。

(4)为了使得施工中标高调整的工作更加方便的进行,可以估算出施工指定楼层段时新产生的竖向变形量,从而在加工钢结构时留出预调整量;预调整量总体上表现出从结构下部到上部逐渐增大的特点。就组合柱来说,结构下部的层1~6段需要预留5mm左右的长度,而结构上部的层51~56段需要预留20mm左右的长度。

(5)超高层结构竖向变形造成的另外一个结果是结构层高的变化,这可能对非结构构件产生不利影响,还可能影响到电梯的使用。在施工非结构构件和安装电梯时应该考虑这些因素。

(6)为了避免组合柱与芯筒墙之间的竖向变形差在伸臂桁架中造成过大的内力,在实际施工时,让伸臂桁架首先临时固定,等到施工到上一伸臂桁架层时再把下一加强层的伸臂桁架终固。这样竖向构件的变形差在伸臂桁架中产生较小的内力,基本不会影响其在抵抗侧向力时使发挥作用。

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