超高层结构非荷载效应分析与对策

超高层结构非荷载效应分析与对策

王佼姣

华东建筑设计研究院有限公司上海200002

摘要：超高层结构中，混凝土收缩徐变等非荷载因素对结构内力和变形有一定影响。深圳一高度为350m的塔楼采用框架-核心筒结构，以此为例进行非荷载效应分析，考察了考虑混凝土收缩徐变时的竖向构件累积变形、变形差以及构件内力变化。结果表明：收缩徐变对竖向构件累积变形、变形差和构件的内力均有不可忽略的影响，需要在设计阶段和施工阶段采取相应措施。

关键词：超高层结构；收缩徐变；非荷载；框架-核心筒

Noneloadeffectanalysisandcorrespondingmeasuresonsuperhigh-risestructures

WangJiaojiao1

（EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.，Ltd.，Shanghai200002，China）

Abstracts：Noneloadeffectsuchasshrinkageandcreephassomeinfluenceontheinternalforceanddeformationofstructuresinsuperhigh-risebuildings.Noneloadeffectisanalyzedona350m-tallbuildinginShenzhenwhichadoptstheframe-coretubestructure.Cumulativedeformation，deformationdifferenceandtheinternalforcechangeofverticalmembersareinvestigated.Analysisresultsshowthatshrinkageandcreepdohavesignificanteffectoncumulativedeformation，deformationdifferenceandinternalforcechangeofverticalmembers.Accordingly，correspondingmeasuresshouldbetakenindesignstageandconstructionstage.

Keywords：super-highstructure；shrinkageandcreep；none-load；frame-coretubestructure

引言

建筑结构设计时需要考虑的因素有恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等，一般不考虑混凝土收缩、徐变的影响。研究表明，混凝土收缩徐变等非荷载因素在超高层结构中对结构内力和变形有很大影响，不容忽视[1][2][3]。《混凝土结构规范》xx中也指出，当混凝土的收缩、徐变等间接作用产生的效应可能危及结构安全或正常使用时，宜进行间接作用效应的分析，并采取相应的构造措施和施工措施。超高层结构多采用钢筋混凝土框架-核心筒结构形式，在结构的施工和正常使用阶段，由于内部核心筒和外部框架在材料、几何形态和受力状态上的差异，两部分之间产生明显的轴向变形差。根据变形的性质不同，竖向构件在竖向荷载作用下的变形主要由两部分构成：一部分是由重力荷载、温度和基础沉降产生的弹性变形，另一部分是由混凝土收缩和徐变等非荷载因素产生的非弹性变形。

本文以深圳的深湾汇云中心T1塔楼为例，探讨非荷载效应对结构变形和内力的影响，以指导结构设计和施工措施。塔楼主要建筑功能为办公和酒店，地下4层，地上76层，建筑高350m，结构高度335.2m，采用巨型框架+核心筒+伸臂桁架的结构体系。核心筒位于平面中心，无偏置，采用钢筋混凝土剪力墙。巨型框架由巨型型钢混凝土柱和环形桁架组成，8根巨柱位于结构平面的四侧，每侧为2根。环形桁架设置于设备层，共8道。为提高整体结构抗侧刚度，增强核心筒和巨型框架之间的共同作用，沿结构高度一共设置了3道伸臂桁架。结构钢材采用Q345GJB和Q390GJB，核心筒混凝土F45以下为C60，F45以上为C50，巨柱F38以下为C70，F38~F59为C60，F59以上为C50。外框与核心筒之间的楼面梁采用钢梁，核心筒内楼面梁采用钢筋混凝土梁。

1分析假定

深湾汇云中心T1塔楼典型结构平面布置如图1所示。塔楼结构采用MIDAS有限元软件建模，剪力墙和楼板分别采用壳单元和膜单元模拟，其他构件采用梁单元模拟。巨柱中钢骨的重量与刚度通过等效重度与模量来模拟。采用刚臂模拟巨柱与其它构件（巨型支撑、环形桁架、伸臂桁架及楼面梁）的连接。

图1几种典型钢材单拉应力应变曲线图

1.1施工进度假定

施工进度按6层为一施工阶段，5天完成一层考虑，其中核心筒施工进度始终领先外框6层，核心筒和外框完成以后再进行伸臂桁架的安装。自重和附加恒载在本阶段施工过程中同时施加，活载在结构施工全部完成以后施加。

1.2收缩徐变模型

混凝土收缩徐变采用CEB-FIP（1990）的模型，其中相对湿度取70%，构件理论厚度根据截面尺寸自动计算，水泥类型取标准水泥，收缩开始时龄期取3d。如C50混凝土的徐变与收缩曲线如图2和图3所示。

图3C50混凝土收缩函数曲线

2竖向变形分析结果

分别提取结构施工完成且活荷载施加后1年和10年两个时刻的核心筒与巨柱的竖向累积变形。

2.1核心筒的收缩徐变分析

图4和图5分分别给出了核心筒WA墙肢在结构封顶、活载加载完毕后1年和10年后的累积竖向变形图。由图可知，核心筒在结构封顶、活载加载完毕后1年和10年后的累积竖向变形分别是149mm和185mm，弹性变形均为85mm，徐变变形分别是49mm和65mm，收缩变形分别是15mm和35mm。结构封顶、活载加载完毕后1年，收缩和徐变引起的总变形约占43%；结构封顶、活载加载完毕后10年，收缩和徐变引起的总变形约占54%。这表明随着时间推移，混凝土收缩徐变引起的变形不断增加，两者比例之和可能会超过弹性变形，非荷载效应引起的竖向变形不可忽略。

图5结构封顶、活载加载完毕后10年核心筒累积竖向变形

2.2巨柱的收缩徐变分析

图2和图3分别给出了巨柱在结构封顶、活载加载完毕后1年和10年后的累积竖向变形图。由图可知，巨柱在结构封顶、活载加载完毕后1年和10年后的累积竖向变形分别是156mm和194mm，弹性变形均为94mm，徐变变形分别是49mm和67mm，收缩变形分别是13mm和33mm。可以看到，巨柱和核心筒的变形沿高度分布和随时间变化的规律相同。

图3结构封顶、活载加载完毕后10年巨柱累积竖向变形

2.3内外筒的竖向变形差

本工程中竖向构件设计合理，内筒外框累积竖向变形差异较小，错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。分别给出了结构封顶、活载加载完毕后1年和10年后，核心筒和巨柱之间的变形差异。由图可知，最大变形差位于顶层，分别为7mm和8mm。

图9结构封顶、活载加载完毕后10年内外筒竖向变形差

3收缩徐变对构件内力的影响

塔楼设备层采用伸臂桁架连接内筒和外框架，由于内外筒的收缩徐变有所差异，可能会引起伸臂桁架特别是斜腹杆内力的变化，需要计算考察。标准层内外筒之间钢梁采用全铰接方式，以清除收缩徐变的影响。

分别提取徐变和收缩引起的斜腹杆内力，并计算徐变和收缩引起的应力比增量。结果显示，低区伸臂桁架斜腹杆应力比增加0.057，中区增加0.044，高区斜腹杆收缩和徐变引起的内力基本可以抵消，仅增加应力比0.012。

这里值得一提的是，在内外筒之间无伸臂桁架连接，而采用混凝土现浇楼盖体系的超高层框架-核心筒结构中，需要考察内外筒之间混凝土框架梁的内力变化。以295m高的合肥恒大中心D4塔楼结构为例，对其进行非荷载效应分析，基本假定同深湾汇云中心T1塔楼结构，徐变引起的弯矩、收缩引起的弯矩和不考虑收缩徐变时的包络弯矩如表1所列。可以看到，收缩徐变对内外筒间框架梁弯矩的影响在高区较为显著，主要原因是高区的内外筒变形差较大；考虑收缩徐变时的梁端弯矩与不考虑时的包络弯矩相比，增大4%-11%左右。

构件验算时需考虑混凝土非荷载效应的影响，必要时需要调整截面以满足设计要求。

4竖向构件压缩变形影响及措施

如前所述，竖向构件压缩变形影响可分为绝对压缩变形影响和相对压缩变形影响。巨柱和核心筒的竖向绝对压缩变形主要对幕墙、隔墙、机电管道和电梯等非结构构件产生影响，特别是对幕墙体系。由于累积效应，幕墙体系上下支承存在较大的由于竖向构件压缩变形引起的相对变形量。巨柱和核心筒的竖向差异变形将影响楼屋面的水平度，在联系巨柱和核心筒的水平构件（如伸臂桁架）中引起附加内力，从而导致竖向构件内力的重分布。对于竖向构件而言，混凝土的收缩徐变将引起混凝土承担的部分荷载转移至钢筋或钢材。此外，竖向构件的收缩徐变将导致建筑楼面标高的变化。由于累积效应，顶部楼层楼面标高的变化尤为显著。

在设计阶段采取了多种措施消除竖向构件压缩变形的影响：

（1）在混凝土材料，尤其是高强混凝土的配合比方案设计中，兼顾混凝土强度、耐久性、体积稳定性、工作性、环保性和经济性的综合要求。通过多目标优化设计确定最佳混凝土配合比，严格控制混凝土的体积稳定性，减小收缩和徐变变形。

（2）连接内、外筒的钢梁用全铰接方式连接，以清除混凝土施工期间较大的收缩徐变影响。

（3）在进行施工方案设计时，尤其是伸臂桁架的施工，应考虑释放竖向差异变形引起的附加变形和内力的影响。

（4）控制巨柱的压应力水平，适当增加巨柱的含钢量，增加巨柱的配筋量。

（5）采用具有好的弹性和韧性的填充材料与结构构件进行连接。

（6）针对不可避免的混凝土变形收缩引起的变形影响问题，采取在建筑施工期间结构不同高度处的层高预留不同的后期缩短变形的余量的方法。保证像电梯等设备的后期正常使用。

（7）在施工和使用期间，建立一套完善的变形监测系统，并在施工期间根据监测数据随时调整后期的预留量。

由于现阶段考虑外伸臂桁架在结构封顶后进行最终固定，故竖向变形差异对外伸臂构件内力产生影响的影响很小，可忽略不计。如本项目施工过程中需要提前封闭外伸臂桁架，或施工组织与本阶段的设计假定不符，必须对相关的竖向变形差异影响重新进行分析。

5结论

（1）超高层结构竖向构件由于混凝土收缩徐变产生的变形较大，且随时间推移收缩徐变引起的变形可能会超过弹性变形，其影响不可忽略；

（2）超高层结构中外伸臂桁架建议在结构封顶后安装固定，以减少内外筒竖向变形差引起的附加内力；若施工中需要提前安装固定，需对伸臂桁架构件特别是斜腹杆由于内外筒变形差引起的内力特别关注。

（3）超高层结构竖向构件设计时，注意采取措施以减小差异变形，如保持接近的压应力水平，调整配筋率等。

参考文献

[1]方辉，沈蒲生.高层框架考虑施工过程和徐变收缩影响的受力分析[J].工程力学，2007，24（7）：94-98，192.

[2]董志君，李筱毅，阎培渝，等.非荷载因素对超高层结构变形的影响研究[J].工程力学，2013，30（b06）：165-168，190.

[3]李烨，王建，周建龙.超高层建筑施工模拟分析的非荷载效应应用研究[J].建筑结构，2012，42（5）：159-163.

[4]CEB-FIPmodelcode1990[S].London：ThomasTelfordServicesLtd.，1993.