施工時(shí)間參數(shù)對(duì)混合體系豎向變形差的影響

黃湘湘 周緒紅

摘要：利用考慮時(shí)間因子的有限元方法研究了鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合體系的豎向變形差問題.分析表明，施工方案中的時(shí)間參數(shù)可以確定結(jié)構(gòu)計(jì)算中需要考慮的混凝土收縮徐變的數(shù)量和參與作用的時(shí)間，從而使混凝土收縮徐變對(duì)體系豎向變形差以及各構(gòu)件內(nèi)力分配的影響發(fā)生明顯變化.適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)混凝土部分相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)部分提前施工的層數(shù)是減小混凝土收縮徐變效應(yīng)的較好方法.

關(guān)鍵詞：施工方案；時(shí)間參數(shù)；收縮徐變；混合體系；豎向變形差

中圖分類號(hào)：TU973.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

混凝土的收縮和徐變對(duì)高層混合體系豎向變形差的影響比較顯著＼[1-9＼]，而施工方案中的各時(shí)間參數(shù)對(duì)其有重要的控制作用.施工方案對(duì)結(jié)構(gòu)各部分的施工順序及時(shí)長(zhǎng)的規(guī)定，一方面將確定鋼結(jié)構(gòu)部分與混凝土部分逐步形成整體并共同受力的時(shí)刻，從而影響豎向荷載在兩部分之間的分配；另一方面，還將確定各混凝土構(gòu)件的加載齡期及其在各相關(guān)施工階段計(jì)算時(shí)刻的齡期，會(huì)極大地影響需要計(jì)算的混凝土收縮和徐變的數(shù)量.

本文引入時(shí)間因子，模擬逐層施工過程，采用我國(guó)橋規(guī)JTG D62—2004＼[10＼]提出的收縮和徐變公式以及文獻(xiàn)＼[9＼]和＼[11＼]介紹的按齡期調(diào)整混凝土有效模量的方法，研究施工時(shí)間參數(shù)改變混凝土收縮徐變對(duì)混合體系豎向變形差及各構(gòu)件內(nèi)力的影響程度.

1算例模型

本文算例采用文獻(xiàn)＼[9＼]中的鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合體系，各構(gòu)件材料及截面尺寸詳見文獻(xiàn)＼[9＼]，平面布置如圖1所示，層高為3.6 m，計(jì)算時(shí)分為30層和60層兩種情況.

2分析結(jié)果

模型計(jì)算結(jié)果分為以下3種工況：工況1僅考慮豎向荷載作用；工況2考慮豎向荷載及截至主體結(jié)構(gòu)施工完畢時(shí)的混凝土收縮徐變效應(yīng)；工況3考慮豎向荷載及截至主體結(jié)構(gòu)施工完畢3年時(shí)的混凝土收縮徐變效應(yīng).通常，僅考慮豎向荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)鋼柱的縮短大于筒體的縮短；考慮混凝土收縮徐變會(huì)較大幅度地增加混凝土筒體的縮短，并通過內(nèi)力重分布使鋼柱的縮短小幅度增加，從而減小柱筒豎向變形差（鋼柱縮短減去筒體縮短）.

結(jié)構(gòu)施工方案中兩個(gè)重要的時(shí)間參數(shù)是結(jié)構(gòu)每層施工的天數(shù)sday和結(jié)構(gòu)混凝土部分相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)部分提前施工的層數(shù)spre.本文計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為： sday=6 d；spre=6 s；環(huán)境相對(duì)濕度RH=80%；混凝土開始收縮的齡期ts=6 d.為了分析時(shí)間參數(shù)sday和spre對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本文將在僅改變sday或spre其中之一的前提下，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，sday=3 d，spre=3 s以及spre=9 s的計(jì)算結(jié)果（后3種狀態(tài)的其他參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相同）.總體來說，時(shí)間參數(shù)sday和spre共同確定的混凝土收縮徐變自由發(fā)展（即不予計(jì)算）的時(shí)間越長(zhǎng)、模型分析總計(jì)算時(shí)間越少，則混凝土收縮徐變的影響越小.

2.1收縮徐變引起的鋼柱與筒體的豎向縮短

表1和表2給出的是以工況1縮短值為基準(zhǔn)，底層鋼柱C3（平面位置見圖1）和底層混凝土筒體在工況2和工況3下的縮短值增加比例.60層模型混凝土筒體的自重較大，結(jié)構(gòu)整體聯(lián)系更多，混凝土的收縮徐變效應(yīng)能更多地轉(zhuǎn)移至鋼框架，故與30層模型相比，筒體縮短的增幅較小，而鋼柱縮短的增幅較大.與工況2相比，工況3的總計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，參與計(jì)算的收縮徐變較多，鋼柱和筒體的總縮短值增幅較大，可以分別達(dá)到7%～14%和70%～125%.使鋼柱與筒體的縮短增幅最小的措施是減小sday，其原因是減少了主體結(jié)構(gòu)施工期的長(zhǎng)度，總計(jì)算時(shí)間也隨之相對(duì)較短，但后續(xù)開展的混凝土收縮徐變還將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生持續(xù)效應(yīng)，加上參數(shù)sday的調(diào)整對(duì)施工期長(zhǎng)度的影響太劇烈，受到的人力物力資金等條件的制約也較多，故不宜調(diào)整sday.而增加spre可以明顯地增加混凝土收縮徐變的自由發(fā)展時(shí)間，能直接減少需要計(jì)算的收縮徐變數(shù)量，對(duì)施工期長(zhǎng)度的影響也不大，因此，在保證施工安全的前提下，適當(dāng)增加spre是減少收縮徐變效應(yīng)的較好措施.

2.2鋼柱與筒體的豎向變形差

圖2和圖3分別給出的是工況2和工況3下模型在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，sday=3 d，spre=3 s以及spre=9 s四種時(shí)間參數(shù)條件下（圖例分別為standard，sday3，spre3和spre9）的各樓層柱筒累積豎向變形差.工況3與工況2相比，需要計(jì)算的混凝土收縮徐變更多，柱筒豎向變形差進(jìn)一步減小.各圖中時(shí)間參數(shù)spre的不同取值帶來的豎向變形差的差異比較明顯.增加spre能減少混凝土收縮徐變的影響，使柱筒豎向變形差較大.若要按文獻(xiàn)＼[12＼]提供的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向變形差補(bǔ)償，建議先進(jìn)行施工方案規(guī)劃，根據(jù)施工方案計(jì)算出結(jié)構(gòu)的豎向變形差結(jié)果后，再進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)和驗(yàn)算.

2.3鋼柱軸力

時(shí)間參數(shù)spre不僅影響需要計(jì)算的混凝土收縮徐變的數(shù)量，還是確定鋼與混凝土兩大部分何時(shí)逐步形成整體結(jié)構(gòu)并共同受力的決定因素.即使不考慮混凝土的收縮徐變，減小spre也會(huì)使鋼框架提前參與整體結(jié)構(gòu)的豎向荷載分配，從而增加鋼柱的軸壓力值.在工況1下，以鋼柱C3在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（此時(shí)spre=6 s）的軸力值為基準(zhǔn)值，將柱C3在spre=3 s和spre=9 s條件下的軸力值與基準(zhǔn)值之比值繪制于圖4.當(dāng)spre=3 s時(shí)，比值介于1.0～1.02之間；當(dāng)spre=9 s時(shí)，比值介于0.98～1.0之間.

圖5和圖6給出的是以工況1各時(shí)間參數(shù)下各層柱C3的軸力值為基準(zhǔn)值，工況2和工況3對(duì)應(yīng)相同的時(shí)間參數(shù)下各層柱C3的軸力值與基準(zhǔn)值的比值.圖5和圖6表明，通常在spre=3 s條件下鋼柱軸力出現(xiàn)最大增幅，在工況2下，30層模型鋼柱軸力增加比例最大可達(dá)6.4%，60層模型鋼柱軸力增加比例最大可達(dá)13.5%；在工況3下，以上數(shù)字則分別為13.4%和19.2%.若要減小混凝土收縮徐變引起的鋼柱軸力增加，則應(yīng)該增大參數(shù)spre，例如當(dāng)spre=9 s時(shí)，工況3下30層和60層模型的鋼柱軸力最大增加比例分別減小為11.2%和17.2%.

柱C3軸力比

3結(jié)論

時(shí)間是混凝土收縮和徐變開展的重要控制參數(shù)，包含時(shí)間參數(shù)的施工方案確定結(jié)構(gòu)各部分的建設(shè)順序以及形成結(jié)構(gòu)共同受力的時(shí)間，從而影響到混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的作用程度.本文建立高層鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合體系計(jì)算模型，用考慮時(shí)間因子的有限元方法對(duì)其豎向變形差及構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：

1）混凝土收縮徐變對(duì)高層鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合體系豎向變形差以及各構(gòu)件內(nèi)力的影響非常顯著，主體結(jié)構(gòu)施工完畢后混凝土收縮徐變的進(jìn)一步開展及其在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的后續(xù)效應(yīng)不可忽略.通常，混凝土的收縮徐變可以減小柱筒豎向變形差，使鋼柱軸力增加（增加幅度可達(dá)20%）.

2）施工方案中的兩個(gè)時(shí)間參數(shù)，即結(jié)構(gòu)每層施工的天數(shù)sday和結(jié)構(gòu)混凝土部分相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)部分提前施工的層數(shù)spre，可以控制結(jié)構(gòu)計(jì)算中需要考慮的混凝土收縮徐變的數(shù)量和參與作用的時(shí)間，從而影響混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng).適當(dāng)增大spre是減小混凝土收縮徐變效應(yīng)的較好方法.若要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向變形差補(bǔ)償，建議先確定施工方案中的相關(guān)時(shí)間參數(shù)，再計(jì)算結(jié)構(gòu)的豎向變形差，最后進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)和驗(yàn)算.

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