施工荷載對高層建筑結(jié)構(gòu)豎向變形的影響研究

王東東

（三門峽職業(yè)技術(shù)學院，河南 三門峽 472000）

高層建筑在結(jié)構(gòu)體系、混凝土收縮變形、徐變變形方面與普通建筑存在一定的差異性[1]。長期受到荷載作用影響，高層建筑結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)不同程度的豎向變形情況，降低了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與牢固性，存在較大的安全風險與隱患[2]。施工荷載作為驗算建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件安全度的一種臨時荷載，對提高高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性至關(guān)重要[3]。因此，本文以鄭州市星聯(lián)樾棠居高層住宅建筑為例，提出了施工荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形的研究。

1 施工荷載作用下高層建筑結(jié)構(gòu)豎 向變形研究

1.1 工程概況

選取鄭州市星聯(lián)樾棠居高層住宅建筑1#樓為本次研究對象，1#樓共30層，高度約為109.5m，整體建筑采用對稱的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式。建筑結(jié)構(gòu)采用C70高強自密實混凝土，混凝土的密度為2450kg/m3，建筑鋼材密度為7850kg/m3，各個建筑構(gòu)件性能均符合相關(guān)要求。星聯(lián)樾棠居高層住宅建筑1#樓整體工程規(guī)模較大，施工難度與施工要求均較高。在工程施工期間，高層建筑承受的施工荷載主要包括兩種：建筑結(jié)構(gòu)本身的自重以及其他施工活荷載。在掌握1#樓建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)信息后，開展施工荷載對其建筑結(jié)構(gòu)豎向變形的影響分析，具體如下文所示。

1.2 試件設(shè)計與分組

本次試驗中，所需使用的試件以高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件為主，為了更好地開展其豎向變形的研究。根據(jù)星聯(lián)樾棠居高層住宅建筑1#樓的實際建設(shè)情況與特征，選取混凝土試件設(shè)計所需的材料，設(shè)計3種結(jié)構(gòu)與性能不同的混凝土試件。選取普通混凝土與高強自密實混凝土，進行澆注處理，在澆注過程中，摻入1.2%的聚羧酸高效減水劑，優(yōu)化混凝土試件的配合比，控制混凝土容重變化[4]。混凝土試件澆注結(jié)束后，養(yǎng)護24h后脫模[5]。根據(jù)S高層建筑結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計普通混凝土與高強自密實混凝土試件的有效尺寸，分別為100mm×100mm×400mm、150mm×75mm×450mm、300mm×60mm×900mm。對試件進行標號處理，分別標號為普通試件1～3，C70試件4～6。在不同齡期下，分別測量6種混凝土試件的立方體抗壓強度，如表1所示。

表1 不同齡期下混凝土試件抗壓強度

如表1所示，為本文設(shè)計的星聯(lián)樾棠居高層住宅建筑1#樓建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件立方體在不同齡期的抗壓強度。通過高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件設(shè)計與分組標號，為后續(xù)建筑結(jié)構(gòu)豎向變形影響研究提供基礎(chǔ)保障。

1.3 試驗方法及流程

在混凝土試件中安裝逐級加載裝置，使試件處于施工荷載反力架中心線上，保證試件在外力作用下，軸心受壓穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，采用有限元軟件模擬高層建筑施工荷載，通過分層加載的施工方法，將豎向荷載施加到高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件上，對試件進行內(nèi)力分析，計算混凝土試件的彈性變形，公式為：

式中： Δa(m)表示高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件豎向荷載施加后的彈性變形；Px表示混凝土試件的軸向壓力；Ea(m)表示混凝土試件的綜合彈性模量；R表示混凝土試件的橫截面積；l表示混凝土試件的尺寸。根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件彈性變形計算結(jié)果，獲取各個樓層的軸力信息[6]。在此基礎(chǔ)上，通過找平補償?shù)姆椒?，獲取建筑結(jié)構(gòu)累積彈性變形，控制高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土澆筑的標高。采用統(tǒng)計分析的方法，統(tǒng)計高層建筑施工現(xiàn)場的荷載，模擬施工荷載值[7]。打磨處理上述設(shè)計的混凝土試件表面，使其表面保持平整光滑，使用AB膠，在各個混凝土試件表面粘貼振弦式應(yīng)變計，測定試件在不同施工荷載作用下的實時應(yīng)變狀態(tài)與應(yīng)力變化累計值[8]。本文使用的振弦式應(yīng)變計結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 振弦式應(yīng)變計結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，振弦式應(yīng)變計由安裝塊與鋼弦組成，將其粘貼在混凝土試件表面。當混凝土試件出現(xiàn)變形時，應(yīng)變計內(nèi)部的鋼弦會自動發(fā)生應(yīng)力變化，產(chǎn)生不同程度的振動頻率，反映混凝土試件應(yīng)力與抗壓強度的變化。通過振弦式應(yīng)變計的電纜，自動上傳應(yīng)力變化振動頻率信號，上傳至讀數(shù)裝置，獲取并記錄試件的應(yīng)變值。試件應(yīng)變值記錄結(jié)束后，綜合考慮混凝土試件收縮變形對高層建筑結(jié)構(gòu)豎向變形的影響，在施工荷載作用下，計算試件收縮變形值，計算表達式為：

式中：t表示混凝土試件齡期；0t表示混凝土試件養(yǎng)護結(jié)束齡期；α表示混凝土試件收縮變形系數(shù)；f表示試件尺寸修正系數(shù)；φ表示施工荷載修正系數(shù)耦合值。通過計算，獲取混凝土試件的收縮變形值，得出試件的豎向變形狀況，在此基礎(chǔ)上，設(shè)定高層建筑結(jié)構(gòu)第i層的荷載為iN，計算高層建筑樓層荷載總和，公式為：

式中：m表示高層建筑的總層數(shù)。在計算高層建筑樓層荷載總和過程中，需要注意建筑結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部鋼筋與型鋼截面面積占整體建筑構(gòu)件截面積的比例，綜合考慮二者對樓層荷載總和的影響，表達式為：

式中：Ea表示高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土的彈性模量；Qa表示混凝土在建筑構(gòu)件截面中的面積；Eb表示高層建筑結(jié)構(gòu)鋼筋的彈性模量；Qb表示鋼筋在建筑構(gòu)件截面中的面積；Er表示高層建筑結(jié)構(gòu)型鋼的彈性模量；Qr表示型鋼在建筑構(gòu)件截面中的面積。選取有活荷載模型，分析高層建筑各個樓層中施工荷載的分布情況，在建筑結(jié)構(gòu)收縮徐變作用下，實時測量并記錄施工荷載作用下，建筑結(jié)構(gòu)核心筒豎向位移的變化，進而反映高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向變形情況。

2 影響結(jié)果分析

在上述試驗方法及流程設(shè)計完畢后，接下來，利用MATLAB分析軟件與有限元分析軟件，共同對高層建筑結(jié)構(gòu)豎向變形影響結(jié)果作出分析，進而實現(xiàn)本次高層建筑豎向變形影響研究的目標。

在高層建筑施工過程中，施工荷載隨著建筑結(jié)構(gòu)的變化而發(fā)生改變。為了更加直觀地獲取施工荷載對高層建筑結(jié)構(gòu)豎向變形的影響，利用有限元分析軟件，模擬建筑各層墻體的施工狀況。通過逐級加載的方式，對試件施加施工荷載，每隔10d加載一次，直至施工荷載總量達到100kN。在此期間，實時記錄混凝土試件應(yīng)變計的讀數(shù)變化，通過試件的收縮變形，反映其豎向變形狀況。綜合考慮普通混凝土試件與C70高強自密實混凝土試件的抗壓強度變化，控制逐級加載的變化范圍，使其符合疊加原理，避免試件應(yīng)力超出其自身抗壓強度，對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。設(shè)置施工荷載分別為10kN與20kN，選取普通混凝土試件1與C70混凝土試件4，利用MATLAB分析軟件，測定兩種試件在不同施工荷載作用下的時變變形曲線，反映豎向變形情況，分別如圖2、圖3所示。

圖2 逐級荷載為10kN的試件時變變形曲線

圖3 逐級荷載為20kN的試件時變變形曲線

根據(jù)圖2、圖3的試件時變變形曲線可知，在逐級荷載為10kN時，兩種混凝土試件的時變變形曲線接近，均呈現(xiàn)大幅度上升趨勢；在逐級荷載增加到20kN時，兩種混凝土試件的時變變形曲線與時變變形值上升速度存在一定的差異，可知不同逐級荷載對混凝土試件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不同。在此基礎(chǔ)上，利用混凝土試件，模擬高層建筑樓層結(jié)構(gòu)，測定兩種逐級荷載作用下，高層建筑各個樓層結(jié)構(gòu)的豎向位移變形值與抗壓強度，結(jié)果如表2所示。

表2 不同荷載作用下高層建筑結(jié)構(gòu)豎向變形對比

根據(jù)表2的對比結(jié)果可知，隨著樓層的升高，建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形逐漸減小，抗壓強度逐漸上升。在逐級荷載從10kN增加到20kN后，同樓層建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形也隨之增加，抗壓強度下降。由此可見，施工荷載與高層建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形呈現(xiàn)正比例變化，逐級荷載增加，建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形值也隨之增加，混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度下降。

3 結(jié)語

通過上文研究分析，可以得出以下幾方面結(jié)論：

（1）根據(jù)圖2、圖3可知，當逐級荷載從10kN增加至20kN時，普通混凝土試件與高強自密實混凝土試件的時變變形曲線與變形值存在一定差異，表明不同的逐級荷載對高層建筑混凝土試件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不同。

（2）根據(jù)表2高層建筑不同樓層結(jié)構(gòu)豎向位移變形與抗壓強度結(jié)果可知，當逐級荷載增加時，同樓層建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形值也隨之增加，混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度下降，由此可見，施工荷載與高層建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形呈現(xiàn)正比例變化關(guān)系。