施工期混凝土框架柱豎向變形研究

陳梅桂

(中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西西安 710021)

1 研究背景

施工期的混凝土結構幾何形狀、材料物理力學特性以及施工荷載等各個方面都隨時間而變化?；炷两Y構是分時分段逐步澆筑，施工過程中需要模板和支架，建造中的暫態(tài)結構的幾何形狀和約束條件隨時間發(fā)生變化，形成一個力學傳遞路徑不斷變化的時變力學結構系統(tǒng)［1］。收縮和徐變對于施工期的多層和高層混凝土結構荷載傳遞和結構變形是一個不容忽視的問題，羅文斌等［2］以構件在變荷載作用下的依時變形積分方程為基礎，研究組合結構的豎向構件軸向縮短引起豎向變形差異。本文依據(jù)逐層疊加法［3］，將混凝土收縮和徐變效應等效為構件節(jié)點力對混凝土框架柱豎向變形進行分析研究。

2 施工期混凝土結構特征

施工期混凝土結構特征有以下幾點:

1)暫態(tài)過程中幾何形狀和約束條件;

2)結構和構件的強度及剛度隨時間變化;

3)混凝土收縮和徐變效應;

4)臨時結構與時變結構共同承擔自重和施工荷載;

5)不同施工階段的施工荷載。

3 分析方法

混凝土結構的施工過程的計算方法應當完全依照實際施工過程，豎向荷載隨施工過程逐層施加到結構上，趙西安［4］提出分別計算各層自重在整個結構模型中產生的內力和變形，再通過疊加法得到各層的內力和變形。本文采用的計算方法是豎向荷載應隨施工過程分層施加于已建成的結構上，混凝土收縮和徐變對結構內力和變形的影響等效為等效徐變外力Fcr和等效收縮外力Fsh，最后再疊加在一起，得到總的變形和內力。計算步驟如下:

1)根據(jù)第i施工階段建成時間確定各個構件的彈性模量取值，確定單元剛度矩陣;

2)由構件剛度矩陣和臨時支護系統(tǒng)剛度矩陣計算總剛度矩陣;

3)由已建成的構件在第i施工階段的應力史及建成時間，確定節(jié)點的等效徐變外力Fcr和等效收縮外力Fsh;

4)計算第i施工階段的變形:

5)計算第i施工階段各個單元的內力:

6)由單元內力確定第i施工階段各個單元層的應變和應力，并且加以記錄，建立單元應力史;

7)進入下一施工階段;

8)如果結構施工過程完畢，則計算結構的最終變形和應力:

其中，Ki為第i施工階段中結構的總剛度矩陣;ki為第i施工階段中不完整結構的桿單元剛度矩陣;Ui為第i施工階段中不完整結構的變力向量;Pi為第i施工階段中結構的節(jié)點力向量;Ai為第i施工階段中不完整結構的幾何矩陣;Ni為第i施工階段時不完整結構中桿件的內力向量。

4 計算簡例

混凝土施工過程分析模型為一棟12層三跨剪力墻結構，層高3 m，跨徑6 m，如圖1所示，混凝土框架梁和柱的截面尺寸分別為300 mm×600 mm和450 mm×500 mm，混凝土框架梁和柱的配筋率分別為3%和5%;混凝土結構強度為C45，鋼筋為HRB400;混凝土名義徐變系數(shù)和名義收縮應變的取值分別為2．5和3×10－4。施工過程中，混凝土結構每層自重27．5 kN/m，施工層臨時模板支護自重10 kN/m，施工活荷載為6 kN/m。

4．1 不同分析方法計算結果比較

為了了解施工過程及混凝土收縮徐變效應對結構影響，分別建立四種模型:

1)考慮工序，不考慮收縮徐變效應;

2)考慮工序，考慮收縮徐變效應;

3)不考慮工序，不考慮收縮徐變效應;

4)不考慮工序，考慮收縮徐變效應。

其中計算模型1和2的施工工況:每層工期7 d，三層支模體系，21 d拆模，施工總工期為84 d?；炷羶韧庵鄯e豎向變形分別如圖2，圖3所示。

圖2 框架外柱豎向變形

圖1 結構模型示意圖（單位：m）

圖3 不同分析方法框架內柱豎向變形

從圖2和圖3可以看出，不同的施工過程對混凝土框架柱的累積豎向變形有影響，對頂部的影響比底部的影響要大?？紤]施工過程的影響，結構框架柱的最大變形發(fā)生在中部偏上。不考慮施工過程的影響，最大變形隨樓層的增加而增加?；炷恋氖湛s徐變效應對混凝土框架結構的累積變形的影響是內柱比外柱的要大，考慮徐變效應豎向最大位移所發(fā)生的樓層比不考慮徐變效應的要高。

4．2 不同施工周期計算結果比較

為了了解施工周期對混凝土框架柱的影響，分別建立四種施工工況的計算模型，如表1所示。

表1 不同施工周期下施工工況 d

分析計算后，混凝土框架內外柱的累積豎向變形如圖4，圖5所示。由此可知隨著施工周期天數(shù)的減少混凝土框架柱的累積豎向變形變大，最大累積豎向變形所處的層數(shù)增加。

圖4 不同施工周期框架外柱豎向變形

圖5 不同施工周期框架內柱豎向變形

從圖4和圖5可以看出，隨著施工周期時間的減少，框架柱的累積豎向位移變大，最大位移所發(fā)生的層數(shù)也相應增加;施工周期為5 d和7 d時，結構底部豎向變形變化不大。

5 結語

1)施工過程對混凝土框架柱的豎向變形有影響，框架柱的豎向變形呈“兩頭小，中間大”的分布形式，最大累積變形發(fā)生在結構中上部。

2)混凝土的收縮徐變效應對混凝土框架柱的豎向變形有影響，對混凝土內柱比外柱影響大。

3)不同施工周期對混凝土框架柱的豎向變形影響為周期越短影響越大。28 d的施工周期的累積豎向變形的分布接近于不考慮混凝土收縮徐變效應的變形分布。

［1］ 田明革，易建偉．施工期混凝土時間效應數(shù)值分析［J］．鐵道科學與工程學報，2008，5(5):28-32．

［2］ 羅文斌，張保?。邔咏ㄖ+RC混合結構豎向變形差的工程對策［J］．建筑結構學報，2002，21(6):68-73．

［3］ 田明革，易建偉．施工期混凝土結構逐層疊加分析方法［J］．中南林業(yè)科技大學學報，2008，28(3):98-104．

［4］ 趙西安．鋼筋混凝土高層建筑結構設計［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992:89-132．