超高层建筑S_RC混合结构竖向变形差的工程对策
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高层建筑竖向构件的加载历史及荷载值与结构型式、 建筑材料、 建筑设备、 施工方案等紧 密相关。通常超高层建筑的施工顺序是先 施工承重结构，施工到一定层数后开始辅 助结构的施工 $ 如砌填充墙等 % ，接下来再 进行机电设备安装和建筑装修。对于结构 平面变化不大、楼板形式亦基本相同的建 筑， 建筑施工基本是匀速进行的。因此可以 假定在每一时间间隔内，柱 $ 或墙 % 承受相 同的荷载增量， 即随着施工进展， 竖向构件 直至建筑建 各截面的压力 !" $ # % 不断增长， 造完成后稳定于某定值。 显然 !" $ # % 是多折 线，将这些多折线进一步简化成图 ’ 所示
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图# 竖向自由横向约束的节点构造
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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： #$%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。 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 & ’ ! 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。 # ( % 先放后抗 #)% 防 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。 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。 施工过程中的控制方法也可分之为两类， 一类可称为被动适应方 法， 另一类可称为主动补偿方法。 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 超前进度的多少应考虑施工 边钢框架的安装和楼盖体系的施工。 一般超前的进度为 & ’ $& 层。 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。 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。当然， 被动方法和主动方法在施工中可以同时使用。 #"%放
图0 加载速率影响系数参考曲线
作者将该方法的结果与 BC DC EF))(GG 等对 H9I(J KLM(J @G9&( 大楼 （ 图 N9 - 进行的长达 7 年 的实测结果相比较， 该大楼总高度 070O， 是一栋 !7 层的钢筋混凝土框筒结构建筑， 其中第 *N 层为转换层， 第 N0P 层为设备层。 图 NQ 为柱 R0 在 N0P 层和 !N 4 !, 层的应变 S 时间曲线。 用简化方法计算的结果与实测结 果基本吻合。 从工程实用的角度讲， 在初步设计阶段往往不可能获得关于结构体系加载过程和 周围环境变化的详细资料， 此时利用简化方法来估算竖向变形差是快捷且有效的。
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竖向变形差的工程对策
工程实例分析 + * - 金茂大厦 高度为 ,0"C 6O 的金茂大厦， 地上 88 层， 主体结构是钢结构和钢筋混凝土结构的混合体，
即 T 1 E; 混合体系。核心筒与周边 TE; 巨型柱结构之间设有三道外伸桁架 + 刚臂 - 。 由于结构的高度很高， 累积的竖向变形差亦很大。为解决竖向变形差问题， 设计者在桁架 !"
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构件中引入结构钢销， 在安装过程中， 可装入此销， 使桁架在施工期间的很长一段时间内变成 自由移动构件； 在相对位移完成大部分以后， 将螺栓紧固， 并焊接， 即在竖向变形基本稳定后再 实现刚性连接。 在施工方面， 核心筒采用爬模施工， 比周边 $%& 巨型柱超前 ’ 到 "( 层， 利用时 间差来减小竖向变形差。 ) * + 德克萨斯商业大厦 ) ,-./0 &122-345/6 ,17-3 + 内部为 !( 层高的德克萨斯商业大厦采用了 $ 8 %& 混合结构体系。周边为钢筋混凝土柱、 钢柱， 实际施工时， 结构的每 "9 层作一单元对钢柱的下料长度进行调整， 以补偿内外柱间的差 异竖向变形。 ) # + 洛万斯特中心 ) :137-0; &-<;-3 + 该楼高 (! 层， 结构体系为脊椎结构 ) 0=5<- 0;3>4;>3- + ， 全部的竖向荷载由 $%& 巨型柱承担， 楼层上分布的竖向荷载通过由钢梁和钢柱刚接成的空腹桁架传给巨型柱。该结构中的一个突 出问题是： 巨型柱由于弹性、 徐变和收缩引起的竖向变形可能使内部钢柱压屈。 为解决该问题， 结构工程师在钢柱中每五层设计一种特殊的竖向节点， 把竖向变形差限制在五层以内。如图 # 所示， 这种节点允许竖向的自由伸缩， 但能有 效地传递水平剪力。 !" # 竖向变形差的解决方案 对于超高层结构的竖向变形差异问题， 可以从材料和结构两个方面来拟定解决方 案。从问题的本质来讲， 控制徐变与收缩应首 先从混凝土材料本身着手，调整混凝土的组 成材料及配合比， 采用合理的养护方法， 尽量
第 B4 卷第 ! 期 B;;; 年 4; 月
建 筑 结 构 学 报 #$%&’() $* +%,)-,’. /0&%10%&23
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ห้องสมุดไป่ตู้
文章编号： 4;;; G !"!C 6 B;;; : ;! G ;;!" G ;!
超高层建筑 / 7 89 混合结构 竖向变形差的工程对策
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始施工上部结构起 % ； #"7 1 为第 " 层开始施工的时间。 !" $ 竖向构件轴向缩短量及简化计算方法 高层建筑竖向构件的荷载是随施工进展逐渐增加的， 根据竖向构件的加载过程， 可确定该 !"
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时刻混凝土应力； 自由收缩应变。 $ $ #， #%、 !34 $ #， #341 % 分别为混凝土的徐变函数、 对上式采用中点公式进行数值积分。 假设每个时间段内的应力增量发生在该时段的中点， 构件在第 " 时段末 #" 0 ’ $ 5 #$ 0 ’ % 的总应变为
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概述
近年来国内外建设的大量超高层建筑越来越多地采用了钢 5 钢筋混凝土 6 / 7 89 : 混合结
构体系， 目前国内已建及在建的高度排名前 4; 位的建筑中有 " 幢采用了 / 7 89 混合体系。 但 是， 采用 / 7 89 混合体系的一个突出问题是结构构件间的竖向变形差问题。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。 实测表明 < 4 = ： 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 4;;> 高度可达 4;;>>，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。 在本世纪六十年代以前， 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， ?@ A@ 8%332)) 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 < B = ； 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 / 7 89 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， 这方面的理论研究已经滞后于工程实践的需要。 在国内， 铁道部、 交通部及建设部等单位分别组织过对混凝土材料徐变、 收缩特性的研究 6 A+# 4;—"C : 中没有关于混凝 工作， 取得了很多宝贵的资料； 但现行的《 混凝土结构设计规范》 《 土徐变、 收缩特性方面的条款， 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》6 #A# D—C4 : 中也 没有相关内容。目前应加强从结构的角度来研究混凝土依时变形的影响。 本文提出了结构施工匀速加载下竖向变形的一种简化估算方法和几种实用的工程对策， 可供工程实践参考。
罗文斌 4， 张保印 B
6 4@ 清华大学土木系， 北京 4;;;"HI B@ 西安建筑科技大学， 陕西西安 E4;;FF :
摘要：本文分析了超高层建筑 / 7 89 混合结构产生竖向变形差的原因及其影响。考虑到混凝土的 徐变、 收缩， 在结构构件匀速加载的假定下引入加载速率影响系数 !， 建立了估算竖向变形的简化 方法 J 提出了工程中控制结构竖向变形差的几种对策。 关键词：超高层建筑；/ 7 89 混合结构；竖向变形；时间效应；工程对策 中图分类号：KL D44@ HI KL CEB 文献标识码：M
作者简介： 罗文斌 6 4CEF G : ， 男 6 汉族 : ， 江西高安人， 博士研究生。
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结构竖向变形差的估算
变荷载作用下构件的依时变形分析 变荷载作用下构件截面上的应力重分布 $ 即混凝土部分和钢部分的应力变化 % 是由三个因
素引起的： 外荷载、 徐变、 收缩， 其中前两者是耦连的， 因为外荷载的变化将导致截面应力的变 化， 而徐变与截面应力密切相关， 且徐变同时也将引起截面应力的变化。若外荷载的变化是连 续的， 则构件的依时总应变为 * + , # # ’ "#） $ ’ ".2 #） $ .（ .（ $’% !$ #% & $ #， #%/ # 0 $ #， # % / # 0 !34 $ #， #341 % ’# ’# # # .2 $ # % 为由混凝土的徐变而引起的 # 其中， "". . $ # % 为 # 时刻由外荷载引起的混凝土中的应力；
高层建筑竖向构件的加载历史及荷载值与结构型式、 建筑材料、 建筑设备、 施工方案等紧 密相关。通常超高层建筑的施工顺序是先 施工承重结构，施工到一定层数后开始辅 助结构的施工 $ 如砌填充墙等 % ，接下来再 进行机电设备安装和建筑装修。对于结构 平面变化不大、楼板形式亦基本相同的建 筑， 建筑施工基本是匀速进行的。因此可以 假定在每一时间间隔内，柱 $ 或墙 % 承受相 同的荷载增量， 即随着施工进展， 竖向构件 直至建筑建 各截面的压力 !" $ # % 不断增长， 造完成后稳定于某定值。 显然 !" $ # % 是多折 线，将这些多折线进一步简化成图 ’ 所示
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图# 竖向自由横向约束的节点构造
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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： #$%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。 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 & ’ ! 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。 # ( % 先放后抗 #)% 防 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。 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。 施工过程中的控制方法也可分之为两类， 一类可称为被动适应方 法， 另一类可称为主动补偿方法。 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 超前进度的多少应考虑施工 边钢框架的安装和楼盖体系的施工。 一般超前的进度为 & ’ $& 层。 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。 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。当然， 被动方法和主动方法在施工中可以同时使用。 #"%放
图0 加载速率影响系数参考曲线
作者将该方法的结果与 BC DC EF))(GG 等对 H9I(J KLM(J @G9&( 大楼 （ 图 N9 - 进行的长达 7 年 的实测结果相比较， 该大楼总高度 070O， 是一栋 !7 层的钢筋混凝土框筒结构建筑， 其中第 *N 层为转换层， 第 N0P 层为设备层。 图 NQ 为柱 R0 在 N0P 层和 !N 4 !, 层的应变 S 时间曲线。 用简化方法计算的结果与实测结 果基本吻合。 从工程实用的角度讲， 在初步设计阶段往往不可能获得关于结构体系加载过程和 周围环境变化的详细资料， 此时利用简化方法来估算竖向变形差是快捷且有效的。
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竖向变形差的工程对策
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超高层建筑 / 7 89 混合结构 竖向变形差的工程对策
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始施工上部结构起 % ； #"7 1 为第 " 层开始施工的时间。 !" $ 竖向构件轴向缩短量及简化计算方法 高层建筑竖向构件的荷载是随施工进展逐渐增加的， 根据竖向构件的加载过程， 可确定该 !"
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时刻混凝土应力； 自由收缩应变。 $ $ #， #%、 !34 $ #， #341 % 分别为混凝土的徐变函数、 对上式采用中点公式进行数值积分。 假设每个时间段内的应力增量发生在该时段的中点， 构件在第 " 时段末 #" 0 ’ $ 5 #$ 0 ’ % 的总应变为
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概述
近年来国内外建设的大量超高层建筑越来越多地采用了钢 5 钢筋混凝土 6 / 7 89 : 混合结
构体系， 目前国内已建及在建的高度排名前 4; 位的建筑中有 " 幢采用了 / 7 89 混合体系。 但 是， 采用 / 7 89 混合体系的一个突出问题是结构构件间的竖向变形差问题。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。 实测表明 < 4 = ： 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 4;;> 高度可达 4;;>>，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。 在本世纪六十年代以前， 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， ?@ A@ 8%332)) 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 < B = ； 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 / 7 89 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， 这方面的理论研究已经滞后于工程实践的需要。 在国内， 铁道部、 交通部及建设部等单位分别组织过对混凝土材料徐变、 收缩特性的研究 6 A+# 4;—"C : 中没有关于混凝 工作， 取得了很多宝贵的资料； 但现行的《 混凝土结构设计规范》 《 土徐变、 收缩特性方面的条款， 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》6 #A# D—C4 : 中也 没有相关内容。目前应加强从结构的角度来研究混凝土依时变形的影响。 本文提出了结构施工匀速加载下竖向变形的一种简化估算方法和几种实用的工程对策， 可供工程实践参考。
罗文斌 4， 张保印 B
6 4@ 清华大学土木系， 北京 4;;;"HI B@ 西安建筑科技大学， 陕西西安 E4;;FF :
摘要：本文分析了超高层建筑 / 7 89 混合结构产生竖向变形差的原因及其影响。考虑到混凝土的 徐变、 收缩， 在结构构件匀速加载的假定下引入加载速率影响系数 !， 建立了估算竖向变形的简化 方法 J 提出了工程中控制结构竖向变形差的几种对策。 关键词：超高层建筑；/ 7 89 混合结构；竖向变形；时间效应；工程对策 中图分类号：KL D44@ HI KL CEB 文献标识码：M
作者简介： 罗文斌 6 4CEF G : ， 男 6 汉族 : ， 江西高安人， 博士研究生。
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结构竖向变形差的估算
变荷载作用下构件的依时变形分析 变荷载作用下构件截面上的应力重分布 $ 即混凝土部分和钢部分的应力变化 % 是由三个因
素引起的： 外荷载、 徐变、 收缩， 其中前两者是耦连的， 因为外荷载的变化将导致截面应力的变 化， 而徐变与截面应力密切相关， 且徐变同时也将引起截面应力的变化。若外荷载的变化是连 续的， 则构件的依时总应变为 * + , # # ’ "#） $ ’ ".2 #） $ .（ .（ $’% !$ #% & $ #， #%/ # 0 $ #， # % / # 0 !34 $ #， #341 % ’# ’# # # .2 $ # % 为由混凝土的徐变而引起的 # 其中， "". . $ # % 为 # 时刻由外荷载引起的混凝土中的应力；