混凝土收縮徐變對(duì)珠海鐵建大廈施工階段的影響

林其濤， 汪渲淋， 王簫童， 喬文濤

(1. 中鐵城建集團(tuán)第一工程有限公司， 山西 太原 030024； 2. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河北 石家莊 050043)

框架-核心筒結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)發(fā)揮框架結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)，因而該結(jié)構(gòu)成為超高層建筑中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一[1]。一般而言框架-核心筒結(jié)構(gòu)是由混凝土核心筒體(包括混凝土柱、墻、梁、樓板及相應(yīng)的節(jié)點(diǎn))和巨型鋼管(型鋼)混凝土柱及H型鋼構(gòu)成的外框架組合而成，具有整體剛度大、體系靈活多樣、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，有良好的建筑適應(yīng)性和高效的結(jié)構(gòu)性能[2,3]。然而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的一次加載法不能很好地反映框架-核心筒結(jié)構(gòu)在施工階段的力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)自重與施工過(guò)程中的活載等豎向荷載分布不均，混凝土核心筒抗壓能力比外框架要大，在豎向荷載作用下會(huì)引起核心筒與外框架的豎向變形差[4～7]，因此需要采用施工階段的精確模擬法[8,9]來(lái)反映框架-核心筒結(jié)構(gòu)施工階段的力學(xué)性能。關(guān)于一次加載法與施工過(guò)程模擬方法的利弊已經(jīng)有了充分的研究，在高層建筑、大跨建筑等結(jié)構(gòu)分析中，進(jìn)行施工力學(xué)分析是十分必要的。

由于框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系在施工時(shí)混凝土用量十分巨大，混凝土的收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和內(nèi)筒與外框架豎向變形差會(huì)產(chǎn)生很大影響。內(nèi)外變形不一致會(huì)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生次內(nèi)力，因此對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)考慮收縮徐變的施工力學(xué)分析尤為關(guān)鍵[10～13]?，F(xiàn)有研究中，部分分析結(jié)果顯示框架柱由于使用了鋼管混凝土柱，在分析時(shí)可不考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)，但本文仍然將考慮外框架柱中混凝土的收縮徐變，將以珠海鐵建大廈A座辦公樓框架-核心筒結(jié)構(gòu)為對(duì)象，建立有限元模型，采用歐洲CEB-FIP(2010)收縮徐變模型分析施工過(guò)程中收縮徐變對(duì)該結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

1 分析方法

1.1 施工階段的精確模擬法

圖1 施工階段精確模擬法示意

1.2 CEB-FIP(2010)收縮徐變模型

現(xiàn)階段混凝土收縮徐變計(jì)算模型中，應(yīng)用較為廣泛的是歐洲混凝土委員會(huì)與國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)提出的CEB-FIP系列模型[16～18]，本文采用對(duì)相應(yīng)環(huán)境參數(shù)修正后的CEB-FIP(2010)計(jì)算模型。

有限元軟件Midas Gen 中可對(duì)混凝土的收縮徐變效應(yīng)進(jìn)行設(shè)置，選取CEB-FIP(2010)計(jì)算模型來(lái)編輯時(shí)間依存材料，即對(duì)核心筒以及外框架柱的混凝土施加時(shí)變特性，使其在分析時(shí)能夠分別計(jì)算混凝土彈性變形、收縮變形以及徐變變形。圖2，3分別為徐變和收縮設(shè)置情況。

圖2 徐變?cè)O(shè)置

圖3 收縮設(shè)置

2 有限元模型

2.1 工程概況

珠海鐵建大廈A座辦公樓地下3層，地上47層，總高度達(dá)206.75 m。地上辦公樓部分26層以下為租售辦公，28～46層為總部辦公，A座辦公樓采用鋼-混組合外框-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，辦公樓周邊共14根鋼混柱，5層以上四角各2根為鋼混柱，中間為混凝土柱，每一層鋼梁與剪力墻內(nèi)連接成一體，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。A座辦公樓鋼柱主要為鋼管柱、十字型及H型勁性鋼柱，鋼梁主要為H型鋼梁。

2.2 模型建立

應(yīng)用有限元軟件Midas Gen建立珠海鐵建大廈A座辦公樓有限元模型，地上為47層，將結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化后，設(shè)置層高為4.4 m。結(jié)構(gòu)的柱、梁均采用梁?jiǎn)卧M，混凝土核心筒剪力墻采用墻單元模擬。材料選取方面，核心筒混凝土材料選用C60的強(qiáng)度，核心筒中連梁采用C40的強(qiáng)度；外框架巨型柱為鋼管混凝土柱，角柱混凝土采用C60的強(qiáng)度，鋼材采用Q345號(hào)鋼材，邊柱自5層向上為混凝土柱，5層以下為組合柱；鋼框架同樣采用Q345號(hào)鋼材。荷載選取方面，結(jié)構(gòu)自重通過(guò)單元體積與密度自動(dòng)計(jì)算得到，施工階段施加的恒荷載取4.0 kN/m2，施工階段施加的活荷載取2.0 kN/m2，因主要研究收縮徐變的影響，這里不考慮風(fēng)荷載。假定首層底部的水平和豎向變形均為零，巨型柱中鋼管(型鋼)以及鋼筋與混凝土具有良好的粘結(jié)，可以很好地協(xié)同變形，有限元模型建模過(guò)程如圖4所示。

圖4 模型建立過(guò)程

2.3 施工階段劃分

CECS230：2008《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》指出：鋼框架-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)施工時(shí)，混凝土核心筒應(yīng)超前外框架施工，一般超前10～14層[19]。超高層建筑的施工過(guò)程模擬按照每個(gè)階段向上施工一層，計(jì)算是十分繁瑣的，可以選擇每次向上施工一組(一組包含多層)，盡量保證計(jì)算精度的同時(shí)，能夠簡(jiǎn)化計(jì)算。本文按照超前施工法，核心筒超前外框架12層，每個(gè)施工段向上施工3層，在有限元軟件中定義每個(gè)階段的結(jié)構(gòu)組、邊界組以及荷載組，完成施工階段的劃分，施工階段具體劃分情況如表1所示。

表1 珠海鐵建大廈施工階段劃分

續(xù)表1

3 施工力學(xué)分析

由施工進(jìn)度計(jì)劃，在有限元模型中設(shè)置施工速度為核心筒與外框架每7 d向上施工一層，每個(gè)施工段(除頂層施工外)包含3層，需要施工21 d，內(nèi)筒比外框架先施工12層；混凝土的養(yǎng)護(hù)條件為濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)，齡期為3 d，空氣相對(duì)濕度為90%，按照CEB-FIP(2010)模型考慮收縮徐變。

考慮到該結(jié)構(gòu)平面圖有近似的對(duì)稱性，可取Q1作為核心筒的變形計(jì)算位置，而外框架柱有兩種，分別為邊柱和角柱，則分別取角柱Z1和邊柱Z2為外框架柱變形計(jì)算位置，如圖5所示。

當(dāng)δR=0時(shí),將其代入式(17),可得到發(fā)射機(jī)的相關(guān)函數(shù)(correlation function,CF),即

圖5 結(jié)構(gòu)平面

3.1 柱底軸力

圖6～8分別為外框架柱Z1，Z2以及核心筒Q1的柱底軸力隨施工階段的變化曲線。

圖6 Z1柱底軸力隨施工階段的變化曲線

圖7 Z2柱底軸力隨施工階段的變化曲線

圖8 核心筒柱底軸力隨施工階段的變化曲線

表2列出了最終施工階段Z1，Z2以及核心筒Q1的柱底軸力變化中收縮徐變引起的軸力C+S與總柱底軸力T的比值。

表2 柱底軸力以及比值

從圖6可以看出，隨著施工段的推進(jìn)，無(wú)論哪種原因引起的Z1軸力，都近似為線性增大，外荷載引起的柱底軸力為壓力，而混凝土收縮徐變引起的柱底軸力為拉力，對(duì)柱底軸力來(lái)說(shuō)有著減小其壓應(yīng)力的作用，但根據(jù)表2，混凝土收縮徐變引起的軸力占比很小，在最終施工階段僅為0.08；圖7顯示Z2柱底軸力隨施工段進(jìn)行而逐漸增大，也呈線性變化，荷載引起的柱底軸力與總軸力變化曲線幾乎重合，混凝土收縮徐變的影響很??；圖8表明核心筒的柱底軸力隨施工段的進(jìn)行而逐漸增大，且在施工階段CS16時(shí)核心筒封頂后，柱底軸力的增加明顯變得非常緩慢，混凝土收縮徐變引起的柱底軸力僅占總軸力的0.01，十分微小。

3.2 豎向變形及變形差

圖9～14分別為Q1，Z1，Z2的豎向變形以及各變形與總變形的比值，圖15為內(nèi)外變形差。

圖9 Q1豎向變形

圖10 Q1各變形占比

圖11 Z1豎向變形

圖12 Z1各變形占比

圖13 Z2豎向變形

圖14 Z2各變形占比

圖9，10顯示，核心筒Q1的各豎向變形均呈現(xiàn)中間樓層較大而底部和頂部較小的特點(diǎn)，在25層左右有最大變形。徐變變形約占總變形的15%～20%；收縮變形占比在中間樓層較小，約為25%，而在底層和頂層較大，最大處約為50%；彈性變形占比為中間樓層較大，底部和頂層較小?？梢钥闯?，Q1的豎向變形，在中間樓層起主要作用的是彈性變形，而在底層和靠近頂層的位置，收縮徐變占比較大，甚至?xí)^(guò)50%。

圖11，12表明，Z1各豎向變形在中間樓層較大，而在底部和頂層較小，在25層左右有最大變形，各變形占比在不同樓層較為一致，收縮變形和徐變變形占比較為接近約為10%～20%。

圖13，14顯示，Z2豎向變形在前5層為線性增長(zhǎng)，且增加非常迅速，而在5～25層左右沒(méi)有明顯增加，25層以后開始逐漸減小，收縮變形和徐變變形約占總變形的20%。

圖15 豎向變形差隨樓層的變化曲線

圖15為結(jié)構(gòu)的豎向變形差隨樓層的變化曲線。對(duì)于本結(jié)構(gòu)，核心筒的豎向變形滯后于外框架柱的豎向變形，即不考慮混凝土收縮徐變時(shí)，外框架柱豎向變形將一直大于核心筒，結(jié)構(gòu)內(nèi)外變形差恒為正值且較大；當(dāng)考慮收縮徐變效應(yīng)后，澆筑大量混凝土的核心筒豎向變形量有所增加，內(nèi)外變形差反而開始減小，甚至在接近頂層的位置內(nèi)外變形差值反號(hào)為負(fù)值，即核心筒豎向變形開始大于外框架柱。

表3列出了結(jié)構(gòu)封頂時(shí)、封頂一年后、封頂三年后的Q1，Z1，Z2的收縮變形以及徐變變形，這里僅選取1～2層間的豎向變形，且表中列出的為變化值。

表3 1～2層收縮徐變變形隨時(shí)間變化情況 mm

由表3可以看出，1～2層的豎向變形中，收縮在結(jié)構(gòu)剛封頂時(shí)較大，但在結(jié)構(gòu)封頂一年后就迅速減小到近似為0，而徐變變形則在剛封頂時(shí)較大，封頂一年后徐變?cè)黾恿糠浅Ｐ。搅朔忭斎旰?，徐變非常緩慢地進(jìn)行，徐變?cè)黾恿炕痉€(wěn)定在一個(gè)較低水平。

3.3 施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

珠海鐵建大廈現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向變形進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，圖16為施工監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片，該位置為測(cè)點(diǎn)2的布置位置，圖17為豎向變形測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖16 施工現(xiàn)場(chǎng) 圖17 測(cè)點(diǎn)布置

表4列出了1～2層之間變形監(jiān)測(cè)結(jié)果以及和有限元模擬結(jié)果的對(duì)比情況。

表4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，監(jiān)測(cè)值均大于模擬結(jié)果，相對(duì)誤差最大能夠達(dá)到14.5%，誤差可能是由以下幾方面原因造成的：(1)監(jiān)測(cè)儀器安放不標(biāo)準(zhǔn)或者儀器本身存在精度問(wèn)題，在對(duì)中、整平、瞄準(zhǔn)時(shí)會(huì)有人為觀測(cè)誤差；(2)溫度、濕度、風(fēng)等環(huán)境因素會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值；(3)有限元模型并非能夠完全模擬最真實(shí)的施工情況，例如有限元模擬時(shí)是按照每一層整體添加上去，但實(shí)際施工時(shí)可能存在框架柱和框架梁不同步施工，并且施工荷載在實(shí)際當(dāng)中較為復(fù)雜，包括溫度荷載、風(fēng)荷載等的影響在有限元中并不能完全對(duì)應(yīng)。但是總體來(lái)說(shuō)，分析計(jì)算得到的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值仍然吻合較好，可以作為施工的參考依據(jù)。

3.4 預(yù)埋件調(diào)整值

考慮收縮徐變后，內(nèi)外變形差正、負(fù)值將會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，原先核心筒上與鋼梁端部連接的預(yù)埋件，其位置需要進(jìn)行調(diào)整，否則會(huì)因?yàn)樽冃尾町a(chǎn)生較大的次內(nèi)力，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。本文通過(guò)分析，表5給出了各層預(yù)埋件調(diào)整值(正值表示下調(diào)，負(fù)值表示上調(diào))，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考，限于篇幅，僅列出調(diào)整值較大的10層結(jié)果。

表5 預(yù)埋件調(diào)整值 mm

4 結(jié) 論

本文以珠海鐵建大廈為分析對(duì)象，建立了該超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)有限元模型，采用CEB-FIP(2010)計(jì)算模型考慮混凝土的收縮徐變作用，模擬了其施工過(guò)程中收縮徐變對(duì)該結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，得出如下結(jié)論：

(1)柱底軸力結(jié)果表明，收縮徐變能夠減小混凝土柱以及鋼管(型鋼)混凝土柱的軸向壓力，但是這種減小軸力的作用十分有限，柱底軸力仍然由自重和外荷載決定。

(2)豎向變形結(jié)果表明，混凝土的收縮徐變對(duì)核心筒墻體的豎向變形影響較大，施工時(shí)應(yīng)加以考慮。

(3)珠海鐵建大廈38層之下的結(jié)構(gòu)，在混凝土的收縮徐變效應(yīng)下，內(nèi)外變形差會(huì)有所減小，對(duì)于結(jié)構(gòu)是有利的；而38層以上的結(jié)構(gòu)，收縮徐變效應(yīng)反而會(huì)使內(nèi)外變形差反號(hào)增大，將引起核心筒與框架聯(lián)系梁的附加彎矩和剪力，并通過(guò)剪力帶來(lái)框架和核心筒附加的軸力，對(duì)于結(jié)構(gòu)十分不利，施工時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)注意。

(4)本文分析結(jié)果顯示，使用鋼管混凝土柱的外框架柱，仍然會(huì)受到混凝土收縮徐變作用的影響，且這種影響不可忽視，建議今后對(duì)同類結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，外框架柱與核心筒均考慮混凝土的收縮徐變作用。

(5)總體來(lái)說(shuō)有限元分析結(jié)果和施工監(jiān)測(cè)值符合較好，并根據(jù)分析結(jié)果給出了預(yù)埋件調(diào)整值，可以作為施工參考依據(jù)。