超高層混合結構施工階段豎向變形分析

楊帆 蘆長青

（1國家開放大學蘭州學院，2蘭州市城市建設設計院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

本文的工程背景為“甘肅某超高層綜合體”，地下5層，主體地上39層。地下室主要為車庫及甲類核6級人防。地上1～7層為大堂、餐飲；9～18層為辦公；19～39層為酒店客房。房屋高度196m。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第11.3.3條，計算墻、柱構件豎向變形差異時，宜考慮混凝土收縮、徐變的影響。在工程實際應用中，需同時考慮豎向構件的恒載彈性壓縮、收縮和徐變的施工模擬分析。國內常用軟件在計算參數中，提供處理恒載計算的3種算法：一次性加載、施工模擬1（近似模擬施工過程方法）、施工模擬3（精確模擬施工過程方法）。

1 處理恒載計算的3種算法

1.1 一次加載法

在工程實際中，考慮施工工序的分析是符合現實模型的，一次性加載是一種理論化的假設，其兩者對于整體模型的分析結果不同。一次加載法會導致計算誤差。

1.2 施工模擬1法

模擬施工1的剛度是一次集成，再按樓層順序施加恒載，是一種近似的處理方式，是對效率和精度的折衷。在模擬施工加載的變形效果的同時又不會對計算效率造成太大影響。

1.3 施工模擬3法

模擬施工3采用分層剛度分層加載的模型，這種方式假定每個樓層加載時，其下面的樓層已經施工完畢，由于已經在樓層平面處找平，該層加載時下部沒有變形，下面各層的受力變形不會影響到本層以上各層，因此避開了一次性加載常見的梁受力異常的現象。這種模式下，該層的受力和位移變形主要由該層及其以上各層的受力和剛度決定。

2 計算模型和參數

2.1 加載參數

豎向恒載下，考慮彈性壓縮、收縮和徐變的施工模擬分析，需采用MIDAS/Gen程序完成，其模型和恒載分析參數基本與SATWE和MIDAS/Building的模型相同。施工加載的樓層增幅按1層考慮（逐層加載），樓層施工持續時間按10天考慮，構件材齡按設計齡期28天考慮。

2.2 收縮、徐變系數

根據《CEB-FIP model code 1990》，考慮材料徐變和收縮的特征值，28天齡期的混凝土立方體抗壓強度按《混凝土結構設計規范》GB50010采用，環境年平均相對濕度按50%考慮，構件理論厚度按2Ac/u計算，其中Ac為構件截面積、u為構件與大氣接觸的周邊長度，水泥按普通硅酸鹽水泥考慮，收縮開始前的混凝土齡期按3天考慮。圖4、圖5為C60、C40混凝土的徐變系數和收縮系數曲線。標準試件混凝土的極限收縮應變為3.24x10-4。

2.3 型鋼混凝土柱的修正

由于程序暫不能考慮型鋼混凝土構件的收縮和徐變，需將型鋼混凝土構件按軸向剛度和抗彎剛度相等的原則等效為混凝土構件。型鋼柱的含鋼率較高，對收縮和徐變有減小作用，因而可將型鋼視作鋼筋，按《工程結構裂縫控制》（王鐵夢）的建議數值進行修正。由于計算程序尚無法對部分構件的徐變和收縮值進行修正，本次計算按兩種極端情況進行，一種為完全按鋼筋混凝土構件計算柱、墻的收縮和徐變，另一種為完全不考慮型鋼柱的收縮、徐變，然后對其結果進行分析綜合。

3 施工階段豎向變形分析結果

3.1 恒載彈性壓縮變形分析

1）根據計算結果的分析，對于恒載彈性壓縮變形，不考慮施工模擬時的最大值發生在頂部，而考慮施工模擬加載時的最大值發生在中部樓層（19層），呈魚腹形。

2）豎向變形較大的19層構件，由于壓縮變形，引起豎向構件墻和柱的最大絕對變形為11.3mm,最大差異變形為4.9mm。由于剛性連接水平構件的存在，該差異變形會引起水平構件和豎向構件內力的變化，使得軸向變形較大的構件（一般為柱）軸力減小，軸向變形較小的構件（一般為墻）軸力加大，即卸載作用。

3.2 混凝土徐變分析

1）對于徐變變形，不考慮施工模擬時的最大值發生在頂部，而考慮施工模擬加載時的最大值發生在中部樓層（19層），呈魚腹形。

2）圖1為19層構件的豎向變形平面，由于徐變變形，引起豎向構件墻和柱的最大絕對變形為5.7mm，最大差異變形為1.8mm。圖2為差異徐變引起的19層梁彎矩圖，框架梁在外圍柱處產生了正彎矩，在核心筒處產生負彎矩。外圍框架柱產生拉力，核心筒產生壓力。墻體徐變小于柱徐變。

圖1 施工階段徐變壓縮變形圖（19層）

圖2 施工階段徐變的梁彎矩圖（19層）

3.3 混凝土收縮分析

1）圖3為典型框架柱和墻體采用施工模擬分析和一次加載的收縮豎向變形圖。由圖可見，對于收縮變形，不考慮施工模擬時的最大值發生在頂部，而考慮施工模擬加載時的最大值發生在中部樓層（19層），呈魚腹形。墻體收縮大于柱收縮。

圖3 施工階段收縮變形（Z1、Q1）

2）圖4為19層構件豎向變形平面，由于收縮變形，引起豎向構件墻和柱的最大絕對變形為3.3mm,最大差異變形為0.4mm。圖5為差異收縮引起的19層梁彎矩圖，框架梁在外圍柱處產生負彎矩，在核心筒處產生正彎矩。外圍框架柱產生壓力，核心筒產生拉力。

圖4 施工階段收縮變形圖（19層）

圖5 施工階段收縮的梁彎矩圖（19層）

4 結論

目前的普通結構設計中，一般只考慮施工模擬分析下的恒載彈性壓縮變形，而徐變、收縮和沉降的影響很少考慮，對于超高層結構，特別是混合結構，根據前面的分析，如果要考慮其影響，需要把以上不利附加內力疊加到SATWE和Building程序的計算結果中。

考慮徐變、收縮和沉降的不利影響和附加內力，根據分析結果針對設計過程提出相應加強措施。本文僅對施工階段豎向變形進行分析，所提計算結果的處理方法對類似工程的設計提供了可以借鑒的經驗。