某超高层结构考虑收缩徐变的施工模拟分析

某超高层结构考虑收缩徐变的施工模拟分析

程军

中船第九设计研究院工程有限公司200063

摘要：本文介绍采用MIDAS软件对某超高层钢筋混凝土框架-核心筒结构进行考虑收缩徐变的施工模拟分析，并与不考虑收缩徐变的施工模拟分析结果进行对比，分析收缩徐变对结构的影响。

关键词：施工模拟；钢管混凝土叠合柱；收缩；徐变

前言

高层结构中的墙、柱等竖向构件由于压应力状态、混凝土强度等级、构件组成等不同而产生混凝土的收缩、徐变不一致，由此引起的柱墙之间的竖向变形差异会对结构在竖向荷载作用下的响应有一定的影响；其次，当竖向构件为钢-混凝土组合构件时，例如SRC柱、钢管混凝土叠合柱等，混凝土的收缩和徐变将会引起构件的内力在钢材和混凝土之间的重分配，相应的结构构件的刚度在不断地发生变化，这可能也会引起不小的误差[1]；此外，混凝土的收缩徐变都是长期作用，由混凝土收缩徐变效应而产生的长期变形量通常可达弹性变形的1~3倍，若忽视其影响，不但对结构的安全、耐久性、延性有影响，甚至对建筑的使用也有较大影响，如填充墙开裂，地板倾斜等[2]。

1工程概况

某工程地上由一栋高层办公楼和附楼组成，地下设三层地下室，用地面积约为23198m2，建筑占地面积5500m2，总建筑面积为154523m2。主楼建筑面积约95385平方米，地上43层，底层层高13.9m，核心筒在8.5m标高设设备夹层，15层和30层为避难层，层高6m，避难层下一层层高4.5m，其余标准层层高4.2m，建筑物总高度198.9m，建筑平面尺寸为47.5x47.5m，核心筒平面尺寸为22.4×22.6m，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构。核心筒墙厚700~400mm,混凝土强度等级C60~C40，结构设计布置时，在满足轴压比的情况下，尽量降低核心筒剪力墙的墙厚，以减少由于墙柱间应力差异大引起的竖向变形差。框架柱采用不同期施工钢管混凝土叠合柱，柱截面尺寸1.3~1.0m，钢管直径1.0~0.7m，管内混凝土强度等级为C80~C60，管外混凝土强度等级为C60~C50。框架柱距核心筒间距约11m，柱墙间框架梁高700mm，框架柱间距10m。主楼典型楼层结构平面布置如图1所示。

2本项目收缩徐变对结构的影响

本文采用MIDAS软件对本工程进行考虑叠合柱管内外混凝土不同期施工的施工模拟，并建立考虑和不考虑柱墙混凝土收缩徐变（本文中梁板的收缩徐变都不考虑，以下所说的收缩徐变均仅指墙、柱竖向构件的收缩徐变）两种模型，并对两种分析模型计算结果进行对比。下面以本工程中包含外框柱、内部剪力墙及连接该柱墙间框架梁的某榀结构为分析对象，着重从以下几方面，分析收缩徐变对本工程结构的影响。

2.1同层墙柱间的位移比较

若考虑收缩徐变的影响，势必会引起墙柱间竖向压缩变形的变化[3]。在荷载工况“1.0恒载+1.0活载”下，将每层外框柱和内芯筒的竖向压缩变形值进行了对比，如图2～图4所示。由图2可以得出以下结论：

（1）无论是核心筒还是外框柱，竖向压缩变形值沿建筑物高度方向均呈现“中间大，上下端小”的鱼腹状分布，且最大位移出现在整栋楼层高的1/2~2/3位置处。

（2）混凝土的收缩徐变明显增大了墙和柱的竖向压缩变形值。例如，外框架的第34层柱顶位移在考虑收缩徐变后，从58.4mm增大到了91.6mm，增幅56.8%；核心筒的第34层墙顶位移在考虑收缩徐变后，从30.6mm增大到了62.2mm，增幅更是高达103.3%。可见实际设计时，不能忽视混凝土的收缩徐变对结构竖向位移的影响，必要时在施工时预留该部分变形增量。

（3）考虑收缩徐变后，外框柱和核心筒之间的竖向压缩变形差变化不大。在下部及上部楼层略微增加，中部约1/2~2/3楼层变化稍明显，但比例也不大，顶部几层略微减小。

图4同层外框柱和内芯筒之间竖向压缩变形差的比较

2.2同层叠合柱与内芯剪力墙的轴力分析比较

在荷载工况“1.2恒载+1.4活载”下，对同层外框柱、核心筒剪力墙的轴力进行比较，如图7～图8所示。由图可以看出，如果考虑收缩徐变的影响，每层柱和内芯剪力墙的轴力变化非常小，这与前面分析的柱墙间变形差、框架梁内力变化是一致的，柱墙轴力偏差不大于1%。

2.3联合截面叠合柱各部分轴力分析比较

在荷载工况“1.2恒载+1.4活载”下，将各层该叠合柱的钢管、内芯混凝土和外包混凝土三部分的最大轴力进行了对比，如图9～图11。

由图9～图11可以看出，在考虑收缩徐变的影响后，钢管部分所承担的轴力显著增加，增幅最大为74.7%，管内、外混凝土所承担的轴力均相应减小，管内混凝土减小幅度相对较小，大部分楼层变化小于10%，而管外混凝土减小幅度较大，基本大于20%。

2.4底层叠合柱各部分应力比的比较

由于各层柱的钢管部分内力增幅较大，因此有必要分析考虑收缩徐变后，叠合柱截面分段底部各部分的应力比。在荷载工况“1.2恒载+1.4活载”下，以底层某叠合柱为分析对象，不考虑收缩徐变时，底层柱钢管、管内混凝土和管外混凝土的最大应力比分别是0.58、0.95、0.69；考虑收缩徐变的影响后，底层柱钢管部分的应力比从0.58上升到0.83，依然在设计规范允许的范围，而底层柱内芯混凝土部分的应力比则从0.95下降至0.86，外包混凝土部分的应力比也从0.69下降至0.55。

3结语

本文是结合具体工程采用MIDAS软件对高层建筑结构收缩徐变分析的一次尝试，需要说明的是在分析时，没有考虑水平构件的收缩徐变，也没有考虑墙、柱内钢筋的影响，仅考虑了叠合柱内钢管作用，但也没有考虑钢管对管内混凝土的约束作用，这些对分析结果会有一定的影响。本文结合具体工程。通过对计算结果的分析，初步得到如下几点认识：

（1）本工程柱墙收缩徐变显著增加了柱墙竖向变形，但由于外框柱采用了钢管混凝土叠合柱，有效降低了柱的收缩徐变，因此柱墙间竖向变形差增加不明显，从而对竖向重力荷载在柱墙间分配、楼层框架梁的内力影响较小；

（2）叠合柱内钢管应力显著增加，管外混凝土所承受的轴力降低较大，而管内混凝土应力降低较小。叠合柱各部分在收缩徐变作用下应力变化与压应力水平、钢混凝土之间刚度比、强度比及含管率等指标有关，当采用强度等级高的混凝土时，钢管也宜采用高强钢材，且控制一定的含管率。对于钢管来说应注意复核钢管应力是否达到屈服强度，否则结构可能处于不利的工作状态。

（3）设计中尽量使主要竖向构件（柱、墙）在竖向荷载作用下处于接近的压应力水平，以减小徐变变形差。对与框架核心筒结构，外框柱选型时宜优先考虑收缩徐变小的结构形式，如本项目所采用的钢管混凝土叠合柱，有效的降低了外框柱与核心筒间由于混凝土收缩徐变引起的变形差。

（4）墙柱内纵向钢筋对收缩徐变有与钢管相同的约束作用，适当加大竖向构件竖向配筋率，尤其是压应力水平高的竖向构件配筋率，有利于减小混凝土最终收缩徐变变形，从而有利于减小徐变差异变形。

（5）考虑混凝土收缩徐变一般会加大楼盖梁的内力，在竖向构件由于混凝土收缩徐变影响较大时，有必要进行考虑混凝土收缩徐变的施工模拟分析。

参考文献：

[1]顾祥林.混凝土结构基本原理（第1版）.上海：同济大学出版社，2004.

[2]傅学怡.实用高层建筑结构设计（第1版）.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]周建龙，闫锋.超高层结构竖向变形及差异问题分析与处理.建筑结构，2007(5).

作者简介：程军（1986-10），男，主要从事建筑结构设计，工程师。