超限高层施工过程结构竖向变形规律分析

超限高层施工过程结构竖向变形规律分析

发表时间：2019-04-11T15:32:22.360Z 来源：《基层建设》2019年第2期作者：张俊婷姜桥

[导读] 摘要：现如今，我国的建筑行业发展十分迅速，全国已有百余座300m以上的建筑建成或正在施工中。

威海市建筑设计院有限公司山东威海 264200

摘要：现如今，我国的建筑行业发展十分迅速，全国已有百余座300m以上的建筑建成或正在施工中。对于超高层建筑，施工过程中结构的竖向变形会带来许多问题。目前，业界对此问题非常关注，也有许多学者对此进行了研究。本文系统总结了对超高层建筑施工过程结构竖向变形问题的相关研究，包括理论研究和工程实例研究两部分。首先，总结各类影响施工期竖向变形的因素及其计算方法，并分析了以往学者提出的几个竖向变形理论计算公式的前提假设、影响因素考虑、计算精度、复杂程度等。其次，总结对比了目前工程实例研究中常用的有限元模拟方法及现场监测方案，并将几个知名工程的有限元与实测结果进行比对。然后，对国内相关规范中与施工期竖向变形相关的规范进行了梳理。最后，根据对现有研究的总结分析，提出现有研究存在的问题及亟待进一步研究的方向。

关键词：施工模拟；收缩；徐变；逐层找平；分段找平

引言

超高层一般采用钢–混凝土混合结构，但混凝土收缩徐变会导致核心筒与外框架发生竖向变形。超高层建筑施工周期长，安全要求高，对施工过程进行监测是保证施工安全和施工质量的重要手段。国瑞·西安金融中心施工过程中进行竖向变形监测，分析超高层竖向变形规律，为施工和设计提供了依据。

1概述

施工过程是综合结构刚度、几何形态、边界条件、施工荷载以及材料特性（混凝土收缩徐变、强度发展）等多方面的一个时变过程，在超高层结构施工过程中，由于结构时变特性的影响，结构竖向构件（如核心筒、钢管混凝土柱等）的变形会有所差异。该差异会使连系框架柱和核心筒的框架梁、外伸桁架产生附加内力，引起构件内力重分布，对构件的受力、变形和稳定造成影响，也将导致楼板开裂，以及后续外装饰工程施工困难。在传统的结构设计中，结构施工竖向变形差异产生的影响并未考虑，这将使结构在正常使用阶段处于不利状态。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）规定：竖向荷载作用计算时，宜考虑钢柱、型钢混凝土（钢管混凝土）柱与钢筋混凝土核心筒竖向变形差异引起的结构附加内力，计算竖向变形差异时宜考虑混凝土收缩、徐变、沉降及施工调整等因素的影响。因此，有必要对结构施工竖向变形规律进行研究以指导施工。主要研究了不同施工模拟计算方案下的施工竖向变形，主要研究了结构竖向变形组成，目前对于考虑不同施工找平措施下结构竖向变形及差异分析的研究较少。本文以陕西省延长石油科研中心大厦超高层项目为例，运用MIDAS/Gen软件进行施工仿真模拟，从不同施工模拟计算方案、竖向变形组成以及不同施工找平措施三个方面对该项目施工过程竖向变形规律进行分析研究，并提出建议指导施工。

2超高层建筑施工过程结构竖向变形理论研究

2.1材料因素

超高层结构中常用的混凝土材料，其特性会随时间不断变化，由此引起同样荷载条件下结构的变形不同。此外，随着时间增加，混凝土发生收缩徐变引起额外变形。另外，目前超高层建筑多采用混合结构，混凝土材料的时变特性容易导致结构各部分间变形发生差别，是导致超高层结构内外筒竖向变形差的主要因素。混凝土材料的时变特性主要体现在4个方面：①混凝土强度随混凝土龄期及受荷时期的变化；②混凝土弹性模量随混凝土龄期的变化；③混凝土的收缩；④混凝土的徐变。其中，混凝土强度及弹性模量主要在混凝土早龄期（28d 内）急剧变化，之后可认为基本稳定；而收缩徐变则在结构全生命周期内均有所发展，并对超高层结构的竖向变形影响较大。1978年，对2个钢筋混凝土柱在施工期间及使用期间的应变及材料的温湿度变化进行了原位监测，发现由于混凝土的收缩徐变，钢筋混凝土柱截面发生显著应力重分布，钢筋承担的力大大超过设计值。研究中指出，对于钢筋混凝土结构或组合结构，弹性变形与徐变主要取决于加载历史、构件尺寸以及所含钢筋的数量，而材料收缩变形与加载无关，主要取决于结构尺寸。而混凝土材料的收缩徐变进一步可能影响结构内各竖向构件间的内力分布。在1991年通过对一80层的结构分析，得到其立柱由于收缩徐变产生的变形在46～60mm。自混凝土收缩徐变现象发现以来，这作为一个专门的课题，得到许多学者的研究。一般认为，混凝土的收缩徐变受到许多因素的影响，主要包括材料特征（如水泥品种、骨料、掺和料等）、构件尺寸（一般表现为体积与表面积之比）、环境特征（温湿度）、加载条件（受荷时间、加载历史）等。

2.2考虑收缩徐变

在持续荷载作用下，混凝土结构变形会随时间不断增加，这种效应即为混凝土的徐变，是造成结构变形的重要原因之一。超高层结构施工周期较长，竖向荷载较大，收缩徐变在变形分析中影响更为明显。在混凝土浇筑初期收缩占变形的一大部分。建模过程中，考虑混凝土的收缩徐变，需定义混凝土材料的时间依存特性。在模拟过程中，混凝土收缩徐变计算模型选用JTGD62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》。该规范规定混凝土开始收缩时的龄期为3d，28d材龄抗压强度标准值为3000kN/m2，相对湿度为70%，时间依存材料的定义过程如图1所示。

图1时间依存材料定义过程

2.3竖向变形理论计算方法

超高层建筑施工过程中结构的竖向变形影响因素众多，很难建立理论模型来计算其精确值。建立理论计算模型时，一般需计入弹性变形、收缩、徐变三方面的影响，有的还需计入温度变形。特别地，徐变与截面应力水平相关，同时会引起截面应力重分布，改变截面应力。此外，施工过程是变荷载作用的过程，结构的加载历史与建筑特性及施工方案等紧密相关，进而引起构件的纵向应变计算方法也与不变荷载作用时不同。许多学者基于假设，提出可用于计算施工期竖向变形的程序，也有学者对计算程序进行抽象简化，提出简化的估算方

法。计入弹性变形、温度变形和收缩徐变，用经验公式代替理论模型，插值公式代替积分形式，考虑施工过程逐层进行计算累积，编写出计算程序。对高层框架结构的变形进行了理论推导，只考虑单柱加荷而忽略梁板限制的位移协调，包括了柱的弹性压缩变形、收缩徐变以及温度变形。其中，柱的弹性压缩中考虑施工调整，扣除施工层以下结构自重；收缩徐变通过经验公式计算。其对一25层的内筒外柱结构进行试算，总压缩量达到50mm。考虑变荷载作用，考虑构件截面应力重分布，考虑荷载随施工进展逐渐增加的速率不变，计入弹性变形、收缩、徐变引起的压缩应变，并采用数值积分方法，建立了竖向变形的计算方法，需进行迭代计算。为简化，引入表示加载速率对轴向应变影响的系数，经过试算得出经验公式，并与工程实例的实测结果进行了对比。

结语

（1）由考虑找平施工模拟计算方案得到的结构竖向变形中，弹性变形、徐变变形、收缩变形的变化规律均表现为中间大、两端小，三者在结构总变形中所占的比例为弹性变形最大，徐变变形次之，收缩变形最小，表明弹性变形对结构竖向总变形起控制作用，徐变变形次之，收缩变形影响最小。（2）整体来看，逐层找平和分段找平方案下得到的结构框筒竖向变形差变化规律均表现为中间大、两端小。分段找平方案下结构的框筒变形差相邻施工段楼层变形值发生跳跃，呈阶梯状，同一施工段内表现为连续；而逐层找平方案下结构的框筒变形差表现为连续性。为避免逐层找平的繁琐，建议施工方以局部四层找平一次的方案计算所得的竖向变形值对结构进行分段预找平，以此作为结构竖向构件下料长度调整的依据。

参考文献：

[1]高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3—2010［S］．北京：中国建筑工业出版社，2011．

[2]范峰，王化杰，支旭东，等．上海环球金融中心施工竖向变形分析［J］．建筑结构学报，2010，31（7）：118-124．