超高层建筑结构施工期竖向时变特性研究

1、超高层建筑结构施工期竖向时变特性研究超高层建筑结构施工期竖向时变特性研究 变形方面 1.研究背景 随着经济建设的快速发展，超高层建筑也得到 了迅速的发展，国内外近年建设了大量超高层建筑， 这些建筑大多是采用混合体系。因为该体系不仅能 充分满足建筑功能的需要，而且用料经济、施工速 度快。施工期间，超高层建筑混合体系缺点是变形 和差异变形非常突出，这些变形和差异变形给超高 层建筑的施工带来了难题，甚至是结构安全性的隐 患。 高层建筑混凝土结构技术规程(jgl3-2002)要 求对50m以上或高宽比大于4的高层结构考虑竖向变 形差异影响。 2.超高层建筑施工期混凝土材料时变特性 2.1混凝土变形 超

2、高层建筑施工期间是时变结构体系，随着施工 过程的推进，结构几何形状、边界条件、荷载状况 在不断的变化，混凝土材料的特性也在不断变化。 超高层建筑中混凝土构件在荷载的作用下，除瞬时 弹性变形外，随龄期的发展会产生收缩和徐变变形， 如图所示。 2.2混凝土的弹性变形 混凝土的弹性变形和瞬时变形严格来说是有区别的。混 凝土的瞬时变形是施加荷载时立即产生的变形，是一个时间 点的变形，并且保持不变。弹性变形在一定时间段内的各个 时间点上的变形是变化的，尤其是对于早龄期混凝土。 2.3混凝土的徐变 结构在常荷载的作用下，除了发生瞬时的弹性变形，随 时间的发展，变形还会进一步的缓慢增加，这种缓慢增加的 变形

3、称为混凝土的徐变。混凝土的徐变一般采用徐变系数、 徐变度或徐变函数表示。 徐变系数： 2.3.1徐变的代表性表达式 1.先天理论表达式 2.老化理论表达式 2.3.2徐变的机理 徐变可以分为基本徐变和干燥徐变。 基本徐变是混凝土在荷载作用下与周围环境之间无水分转移 条件下的长期性能。 干燥徐变是处于干燥环境中所产生的附加徐变。 2.3.3徐变的影响因素 徐变的影响因素很多，涉及水泥品种、水灰比、骨料、 养护条件、环境湿度、构件尺寸、工作环境、初始加载时间、 加载特点等。 2.4混凝土的收缩 2.4.1收缩机理 混凝土收缩指在无应力作用下，由于混凝土本身的原因 和环境因素而产生的体积缩小。 混凝

4、土的收缩主要包括自收缩、干燥收缩。自收缩是混 凝土与外界环境不发生水分交换的情况下发生的。干燥收缩 是在相对湿度小于rhl00的恒定温度下，混凝土向外界环 境水分散失而导致的随时间变化的体积减小，主要与环境湿 度和表面暴露情况有关。 2.4.2收缩理论 毛细管张力理论：毛细管张力学说认为混凝土的收缩变形与 干燥过程中毛细管水弯液面有关，毛细孔水的水面是向内弯 曲的，孔径愈细，水面曲率越大。 拆开压力理论： 拆开压力定义为粒子间范德华引力和层间排斥力的合力。 在一定状态下的系统中，相邻固体粒子间吸附有一定厚度的 水分子层，会使相邻粒子之间产生排斥力。 3.高强高性能混凝土收缩试验研究 从不同配筋

5、率混凝土的收缩变形的图，可以看出混凝土 的收缩变形随配筋率的增加而降低，说明钢筋对混凝土的收 缩具有约束作用。 分析与讨论 由于既有模型与试验数据的差异，经过修正后得到的模型： 经过线性回归后得到： 上述混凝土收缩的模型是在采用截面尺寸为100l00mm 获得的，其体表比为25mm，实际上混凝土的体表比为对混 凝土的收缩的影响非常大。 4.高强高性能混凝土受压徐变试验研究 4.1试验结果 分析与讨论 加载龄期越早，试验徐变系数与acl209r模型和ceb- fip(1990)模型的偏差越大，采用既有普通混凝土徐变模型 会高估高强高性能混凝土的徐变。 同收缩模型一样，按照acl209委员会的建议

6、，将徐变系 数的数学表达式采用双曲-幂函数： 经过线性回归得到： 5.上海环球金融中心结构竖向变形现场监测 埋入式应变计被固定在混凝土结构物中，通过两端的端 头与混凝土紧密嵌固，当混凝土产生应变时，则由端头带动 应变管产生变形，使钢弦内应力发生变化，测定频率再经计 算即可求得混凝土变形值。 监测结果 核心筒下部的变形大于上部的变形，监测层的数据随施 工层数的增加具有线性增长趋势。 同核心筒一样，巨型柱下部的变形大于上部的变形，监 测层数据随施工层数的增加具有线性增长趋势。 6.超高层建筑施工期竖向时变分析 6.1基本理论 在混凝土徐变理论中，叠加原理是最基本的原理，大量的 试验表明，当加载应力

7、与同龄期轴心抗压强度的比值小于40 50，徐变的开展与应力成线形关系，即单位应力产生 的应变相同。 混凝土的宏观模量是指钢筋混凝土在收缩徐变中存在的 一个假定的恒定不变的弹性模量，该弹性模量使钢筋混凝土 满足平截面假定和内力平衡。如果假定的宏观模量存在，宏 观模量等于混凝土的初始弹性模量。收缩的初始弹性模量是 收缩开始时的弹性模量，徐变的初始模量是初始加载时的弹 性模量。 6.2竖向承重结构的竖向变形计算 超高层建筑竖向承重结构的竖向变形计算是以结构的设计 标高为基准的。超高层建筑标高的控制有两种方式：绝对标 高控制和相对标高控制。绝对标高控制是使结构施工标高满 足设计标高。相对标高控制是使施

8、工层的层高满足设计层高。 在计算竖向变形上两种标高控制方式是有差别的，可通过施 工后变形和施工前变形将二者统一起来。施工后变形，即无 论施工时结构是否达到设计标高，施工后结构还会产生变形。 施工前变形，即施工时下部结构已经产生的变形。施工后变 形和施工前变形的和即为施工总变形。 施工后变形是结构施工后的标高相对于施工标高的变 形。对于一个n层的超高层建筑，施工期间其第i层(i=1，2， n)的施工后变形有以下几部分组成： (1)第1i-1层构件在in层荷载下产生的弹性变形e1。 (2)第1i-1层构件在前i层荷载下titn时间段产生的徐变c1。 (3)第1i构件在i+1n层荷载下ti+1tn时

9、间段产生的徐变c2。 (4)第1i层构件titn时间段产生的收缩s1。 施工前变形是结构施工前结构层底部实际标高和设计 标高差异变形。施工对于一个n的超高层建筑，施工期间其 第i层(i=1，2， n)的施工前变形有以下几部分组成： (1)第1i-1层构件在施工第i层结构时已经产生的弹性变形e。 (2)第1i-1层构件在施工第i层结构时已经产生的徐变变形c。 (3)第1i-1层构件在施工第i层结构时已经产生的收缩变形s。 核心筒的后变形在50层左右达到了最大值，总变形值为 75mm，其中弹性变形37mm、徐变变形33mm、收缩变形 5mm。 核心筒前变形的最大值在结构顶部，总变形值为194mm，

10、 其中弹性变形77mm，徐变变形58mm，收 缩变型59mm。 巨型柱的后变形在50层左右达到了最大值，总变形值为 72mm，其中弹性变形36mm、徐变变形31mm、收缩变形 5mm。 巨型柱前变形的最大值在结构顶部，总变形值为188mm， 其中弹性变形74mm，徐变变形55mm，收缩变型59mm。 从巨型柱和核心筒的变形中可发现：施工后变形的特征 是结构底部、顶部的小，中间层变形大；施工前变形的特征 是随结构层数的增加变形逐渐增大；施工总变形的特征是随 结构层数的增加变形逐渐增大。 6.3影响竖向变形的因素 施工速率的影响 因此，加快施工进度对控制施工期的变形是有利的，但 因施工速度快、时间

11、短，混凝土的收缩徐变的时间效应还没 充分发挥出来，可导致结构施工后产生过大的变形。 6.4竖向变形调整方法 6.4.1施工平差 超高层建筑施工过程中，经常要保证施工层的标高达到 设计标高，进行施工平差处理，补偿已发生的变形。采用绝 对标高控制，施工测量人员不必精确知道补偿值的大小，只 要施工层满足设计标高即可，施工平差部分实质上就是施工 前变形。相对标高控制就要准确知道前变形的大小，才能进 行施工平差，实际平差中也不是每层都进行调整，而是多个 结构层区段调整。 6.4.2施工预抛高 施工预抛高指施工时将结构的施工标高提高，使结构的 标高在施工期结束时等于设计标高。 6.5竖向差异变形分析 超高层建筑的核心