考慮施工過程收縮徐變對高層建筑結構影響的試驗與理論研究

莊建新（濟南熱電工程有限公司，山東 濟南 250001）

高層建筑結構作為現代城市建筑的重要組成部分，其設計與施工的精度與穩定性至關重要。然而，在實際施工過程中，混凝土的收縮徐變現象對高層建筑結構的穩定性與安全性產生了顯著影響[1]。收縮徐變是混凝土的一種固有特性，主要由于混凝土內部水分的蒸發和化學反應導致體積變化，進而引發結構的變形。這種變形在長期荷載的作用下會持續累積，對高層建筑結構的承載能力、抗震性能和穩定性產生不可忽視的影響[2-3]。

基于此，研究引入混凝土收縮徐變數學模型，結合數值模擬方法，模擬實際施工條件，建立高層建筑結構的精細化模型，分析結構施工完成后、使用20年和使用50年的位移變化規律。研究成果不僅有助于深化對高層建筑結構長期變形的理解，為實際工程提供理論支持，還有助于推動建筑行業的技術進步，提高高層建筑的安全性和穩定性[4]。研究成果可用于減小施工過程收縮徐變對高層建筑結構的影響，提高建筑的長期性能和使用壽命，以期為高層建筑結構的優化設計和施工提供重要的科學依據。

1 工程概況

山東省濟南市某高層建筑為酒店式公寓，建筑高度為120m，建筑平面大致呈長方形，長度為27.2m，寬度為55m，結構標準層示意圖如圖1所示。公寓整體采用混凝土框架剪力墻結構，塔樓上部共有35層，包括局部出屋面2 層，設地下停車場2 層，土柱尺寸主要為450mm×450mm、350mm×350mm，混凝土強度等級為C50；混凝土樓板厚度為120mm，混凝土強度等級為C30；混凝土剪力墻厚度為350mm，混凝土強度等級為C60；混凝土主梁600mm×500mm，次梁為300mm×300mm，混凝土強度等級為C35。由于建筑物高度和豎向荷載作用較大，結構受到收縮徐變的影響將導致產生內力重分布，高層建筑的收縮徐變值在長期服役狀態下十分可觀，往往可以達到彈性變形的2～3倍甚至更多，這對于結構的變形和穩定性極為不利，極易發生混凝土的開裂和耐久性的下降。因此，考慮高層建筑混凝土長期收縮徐變效應，確保建筑物的安全和使用性能。

圖1 高層酒店式公寓標準層結構平面示意圖

2 施工過程高層混凝土結構的收縮徐變計算理論模型

混凝土結構的收縮徐變是與時間有關的漸進式演變過程，與混凝土自身的材料屬性、含水率、外荷載、溫度等各種因素有關，在模擬計算時應該考慮收縮應變和徐變應變的相互耦合。預測混凝土結構長期荷載作用下的徐變應變，可以在混凝土結構彈性應變的基礎上疊加時間因數，其計算方法如公式（1）和公式（2）所示[5-7]。

式中εcr為混凝土結構長期荷載作用下的徐變應變；Φ(t,t0)為混凝土隨時間變化的徐變系數；fcm為28d 齡期混凝土平均抗壓強度，MPa；fcm0為3d 齡期混凝土抗壓強度，MPa；t為時間，d；t0為混凝土加載初始時間，d；RH為環境相對濕度，%；RH0為加載初期環境相對濕度，%；h為構件的名義尺寸，其計算方法為混凝土的截面積除以0.5 倍的大氣接觸周邊長度，mm；h0為構件在加載初期的名義尺寸，mm。

與徐變應變類似，預測混凝土結構長期荷載作用下的收縮應變為時間相關的收縮變化發展系數與混凝土名義收縮系數的乘積，其計算方法如公式（3）和公式（4）所示。

式中εcr(t,ts)為混凝土結構長期荷載作用下的收縮應變；ts為考慮收縮開始時混凝土齡期，d：εcs0為混凝土名義收縮系數；βs為時間相關的收縮變化發展系數。

3 考慮施工過程的高層混凝土結構收縮徐變數值計算

3.1 高層建筑混凝土結構收縮徐變數值計算模型建立

高層建筑的數值計算采用SAP2000有限元分析軟件進行建模求解，為考慮施工過程的影響，在建立計算模型時對各個材料的屬性進行了時間屬性設置，以便于計算時從施工階段即積累了收縮徐變應變值。在計算時，結構的自重荷載隨著高度增加逐層生成和施加，施工荷載則確定為1.5kN/m2，隨后對高層結構的變形分為兩部分計算，其中一部分為彈性變形計算，計算完成后對結構的應力和變形重新分布，結構的整體剛度矩陣也重新調整，再進行徐變收縮效應分析，高層建筑的最終變形為彈性變形與收縮徐變變形的疊加[8-9]。值得注意的是，為了簡化結構的計算復雜程度，提高計算效率，結構長期徐變收縮效應不考慮泊松徐變變形，也不考慮混凝土鋼筋對長期收縮徐變約束的有利影響。計算中考慮施工過程時，混凝土結構初始加載時間為結構的拆模時間，混凝土收縮開始時間為澆筑第3d，施工速率為平均10d完成1層，工期約13個月。圖2為計算時采用的混凝土結構收縮應變曲線和徐變系數曲線，隨著時間的增加，徐變系數呈現近雙曲線變化趨勢，最大徐變系數達到1.36，收縮系數也呈近雙曲線變化趨勢，最大收縮系數達到145。

圖2 混凝土結構收縮應變曲線和徐變系數曲線

3.2 高層建筑混凝土結構收縮徐變數值計算結果分析

圖3為施工結束時混凝土結構第32 層變形分布圖，圖中負值表示位移向下。從圖3中可以看出，施工階段由于收縮徐變引起的高層建筑結構變形在平面上分布不均，其中，建筑平面兩端尖角位置的位移發生量較大，最大位移達到-75mm，結合圖1，可知結構a 節點和b 節點之間的豎向變形差最大，因此，對這兩個節點的變形展開具體分析。

圖3 施工結束時混凝土結構第32層變形分布圖

圖4為建筑物在施工階段后a 節點、b 節點的位移以及位移差，位移差的計算方法為a節點的位移減b節點的位移。從圖4中可以看出，隨著樓層高度的增加，a點位移、b點位移的變化趨勢大致相同，呈現逐步增加，并在30 層以后趨于穩定的變化趨勢；節點位移差呈現分段式變化趨勢，在樓層小于15層時，節點之間的位移差較小，且數值基本接近，在樓層16 層～30 層之間時，節點之間的位移差隨著樓層高度的增加而增加，在樓層大于31層時，節點之間的位移差達到最大，且數值基本接近。

圖4 建筑物在施工階段后a節點、b節點的位移以及位移差

圖5為建筑物在使用20年后a 節點、b節點的位移以及位移差。從圖5中可以看出，隨著高度的增加，a點位移、b 點位移的變化趨勢大致相同，呈現逐步近線性增加的趨勢；節點位移差呈現分段式變化趨勢，在樓層小于20 層時，節點之間的位移差較小，且數值基本接近，在樓層21層～30層之間時，節點之間的位移差隨著樓層高度的增加而增加，在樓層大于31層時，節點之間的位移差達到最大，且數值基本接近。

圖5 建筑物在使用20年后a節點、b節點的位移以及位移差

圖6為建筑物在使用50年后a 節點、b節點的位移以及位移差。從圖6中可以看出，隨著高度的增加，a點位移、b 點位移的變化趨勢大致相同，呈現逐步近線性增加的趨勢；節點位移差呈現分段式變化趨勢，在樓層小于20 層時，節點之間的位移差隨著樓層高度的增加而增加，在樓層大于21層時，節點之間的位移差達到最大，且數值基本接近。

圖6 建筑物在使用50年后a節點、b節點的位移以及位移差

對比圖4、圖5和圖6可知，a點、b點的最大位移均隨著時間的增加而不斷增加，a 點在施工結束后、使用20 年后、使用50 年后的最大位移分別為76.48mm、90.14mm 和109.47mm；b 點在施工結束后、使用20 年后、使用50 年后的最大位移分別為52.84mm、69.35mm和75.09mm。由此表明，時間因素是影響高層建筑收縮徐變變形的重要因素之一，使用時間越長，結構的收縮徐變越大，對結構的受力和變形越不利。

4 結語

以山東省濟南市某酒店式公寓為研究對象，運用數值分析的手段，考慮施工過程的影響，研究結構施工完成后、使用20 年和使用50 年的位移變化規律，得到以下結論：

（1）施工階段由于收縮徐變引起的高層建筑結構變形在平面上分布不均，建筑平面兩端尖角位置的位移發生量較大，最大位移達到-75mm。

（2）施工階段結束后，隨著樓層高度的增加，節點位移的變化趨勢大致相同，呈現逐步增加，并在30層以后趨于穩定的變化趨勢；節點位移差呈現分段式變化趨勢。

（3）結構使用20 年和50 年后，隨著樓層高度的增加，節點位移的變化趨勢大致相同，呈現近線性增加的趨勢；節點位移差呈現分段式變化趨勢。

（4）時間因素是影響高層建筑收縮徐變變形的重要因素之一，結構的最大位移均隨著時間的增加而不斷增加，結構使用時間越長，結構的收縮徐變越大，對結構的受力和變形越不利。