试论高层框-筒混合结构施工期间竖向变形控制措施

1、试论高层框-筒混合结构施工期间竖向变形控制措施    摘要：钢框架一钢筋混凝土核心筒结构体系的竖向变形差异的发生是必然的。本文具体阐述了该结构体系竖向变形差的影响因素，并从四个方面提出了减小竖向变形差的工程对策，对高层框-筒混合结构变形控制具有一定参考意义。 关键词：钢框架一钢筋混凝土核心筒结构；竖向变形差；工程对策 钢框架一钢筋混凝土核心筒结构是指由外钢框架与混凝土核心筒体所组成的共同承受竖向和水平作用的高层建筑结构。它将钢框架轻质高强、施工速度快的特点和钢筋混凝土核心筒抗压强度高、防火性能好、抗侧刚度大的优点有机地结合起来，是最近十多年来迅速发展的一

2、种结构体系，目前已建成的超高层建筑中约有80%的建筑采用了该结构体系。但随着建筑高度的不断增高，施工期间该结构体系的变形问题也逐渐凸显。因此，随着高层混合结构体系的蓬勃发展，如何认识结构体系在各种时变因素影响下的变形规律，不仅对施工组织与施工质量影响巨大，且对施工安全和结构体系的安全也意义重大。 1竖向变形概述 施工期间混合结构体系的变形问题，主要有竖向变形问题及水平变形问题。相对竖向变形问题，水平变形问题不是那么突出。因此，基于篇幅所限，本文主要探讨竖向变形问题。 超高层建筑尤其是具有钢框架一混凝土核心筒结构体系的竖向变形差异是必然要发生的。原因如下：与外钢框架柱相比较，混凝土核心筒水平截面

3、面积要大得很多，然面，就重力荷载面言，核心筒所承担的是各层楼面的内圈荷载，而外钢框架柱所承担的是较大范围的外层楼面荷载，以及维护墙的自重。尽管钢材的弹性模量大致是混凝土的10倍，但所承担的竖向荷载要比核心筒大，其工作应力与弹性模量的比值要比混凝土大。因此，外钢框架柱的弹性缩短将大于核心筒的弹性缩短。随着结构层数的增加，自重引起的累积竖向变形差异将越来越大。此外，外钢框架中柱与边柱由于承担荷载的不同，也会产生累积变形差异。更重要的是，整个施工期间核心筒的混凝土徐变、收缩在不断开展。徐变、收缩受到施工速度、混凝土材料早期强度及弹性模量，以及环境气候条件等诸多因素的影响。并且由于施工方法的原因，核心

4、筒先行施工，竖向变形将先于外钢框架，这都使得变形差异问题变得更为复杂。竖向变形差异的存在，不仅影响到施工质量，从设计的角度上看，竖向变形差异还会在水平构件种产生附加内力，影响结构安全。对于50m以上的高层结构，尤其应该考虑竖向变形的影响。相邻竖向构件的变形差，就是施加于构件之间梁或板的强制支座位移，使梁或板产生附加弯矩和剪力。若不采取适当措施，附加应力可能达到较大数值，甚至导致构件开裂。同时，还会造成楼板的变形，影响正常使用。而且，由重力荷载和混凝土收缩、徐变引起的柱的缩短，所造成楼板的倾斜，将是永久性的。 2竖向变形的影响因素分析 2.1徐变变形 徐变是指混凝土在应力持续作用下，应变随时间不

5、断增长的现象。一般混凝土的徐变在前36个月发展最快，大部分在前12年内完成，但持续增长时间可达数十年。徐变能使混凝土的长期抗压强度降低20左右；引起构件的截面应力和内力重分布，使混凝土应力减小，钢筋应力增大。在混凝土结构总变形中徐变变形可达到弹性变形的24倍，徐变变形占总变形的比例可达2060左右，因此在高层竖向变形的计算中不可忽略徐变变形的影响。 在应力用下至龄期t时的混凝土构件的徐变应变为： =C（） （1） C()=(10-140)×10-6(N/mm2)-1（2） C()=C（）=C()1-e-A()（3） 式中：为施加应力时的混凝土龄期；为计算所需应变的龄期；EC()为龄期

6、时的混凝土弹性模量值；为时刻混凝土构件的徐变；C（）为单位应力作用下的徐变度；C()为极限徐变度，一般情况下取均值70×10-6(N/mm2)-1；A为参数【1】。 2.2收缩变形 混凝土收缩是指因化学反应、温度变化、水分蒸发等引起的混凝土体积缩小。收缩变形是一个长期的过程，干燥初期发展较快，之后渐渐减慢，大部分收缩在前3个月龄期内出现，但发展过程可长达20年。在高层建筑施工过程中，需对混凝土收缩变形值进行定量的分析计算，若条件许可，应进行混凝土试件的收缩试验，以测定其收缩变形值。混凝土的收缩计算公式较多，如：ACI209模型、CEB-FIP模型及日本土木学会方法等，本文主要介绍我国

7、混凝土收缩与徐变的试验研究专题协作组的推荐公式： (4) (4) (5) 式中：t为欲求收缩值的龄期,龄期t时的收缩值为龄期t时的初始收缩值；为考虑收缩各影响因素的收缩系数。 2.3温度变形 当前，建筑中空调设备的使用加大了室内外温差效应，且由于柱、核心筒和墙等竖向构件的材料不同从而在各构件中引起了不同的伸缩量，造成竖向构件之间的竖向变形差，同时，日照温差及季节温差也能引起结构构件的竖向变形。由室内外温差引起的竖向构件的任意截面的竖向变形量可按下式计算： （6） 式中：为线膨胀系数，可取10-5/；为任意截面的计算高度；、为室、内外温度。 2.4弹性压缩 高层框-筒结构建筑，竖向构件外侧钢框架

8、柱和内部核心筒的材料、构造及截面尺寸均不同，在荷载作用下两者的竖向变形不同，于是在两者之间产生了竖向变形差。根据材料力学的公式： (7) 式中：FN为轴力；为构件的原长；E为弹性模量；A为构件的横截面积。 可推出任一楼层钢框架柱的轴向压缩为： (8) 式中：为第层处柱的轴向缩短；为每一楼层的荷载增量，假设为常数；h为楼层高度；A为同一楼层柱截面面积，假设为常数；m为所计算楼层以上的楼层数。 由(2)式求出各楼层的轴向缩短值之后，再求各楼层的柱长校正值： =(9) 式中：为第楼层的柱长校正值；为第层处柱的轴向缩短；为第层处柱的轴向缩短。 实际中，若对每个楼层的柱长均进行校正，计算过程较复杂，且不

9、利于实际施工操作，实际计算时常采用楼层组优化处理。即，每隔一个楼层段(如每隔35层)进行一次柱长校正值计算，再在施工过程中以楼层段进行调整处理。 3竖向变形差异的施工控制策略 3.1结构材料选用 由于纯钢柱的轴向抗压刚度较弱，钢框架与混凝土芯筒(剪力墙)的竖向变形差会增大。采用钢管混凝土柱取代纯钢柱，可增大框架柱的轴向抗压刚度，减小框架的弹性压缩量，且能有效地提高柱的延性和抗火性能，可取得较好的经济性。 3.2合理安排施工进度 合理地安排竖向结构构件的施工顺序和施工进度，对控制结构的竖向变形差异比较有效。为更好地控制结构的竖向变形，应在合理设计与采取有效施工措施的情况下，合理安排施工进度。对于

10、高层钢框架一混凝土核心筒结构，在施工时，核心筒领先施工能够提前发展混凝土的徐变与收缩，从而减小柱、筒间的整体竖向变形差异。但因为混凝土的徐变、收缩会引起连接柱、筒的钢框架梁产生很大的附加弯矩和剪力，给构件带来强度破坏的危险。当核心筒领先施工的层数过大时，还会产生反向差异(核心筒的竖向变形大干钢框架柱)。因此，在安排施工进度时，必须控制核心筒的领先施工层数。在施工实践中，当结构的体型比较规则、简单，与当地已建工程在结构形式、高度上有较强的可比性时，施工单位可以根据以往经验和以类似工程的做法作为参考，来确定核心筒的领先施工层数。 3.3 竖向承重构件补偿施工 高层建筑结构在施工期间所发生累积竖向变

11、形在时间序列上分成两部分，其中第一部分是施工第n层前“已发生值”，即在施工第n层以前下部层已经产生的累积变形n1，此部分在施工中被找平补偿掉，在进行结构体系竖向变形计算中，要考虑这一因素对累积变形的影响。在高层建筑竖向变形计算当中，考虑施工中的随层找平补偿，即针对每一层的剪力墙、柱所发生的n1进行精确补偿。此时，第n层的补偿值，是本层的累积变形已发生值，减去下一层已经被补偿掉的累积已发生值，即： dn=n1一(n-1)1 (10) 式中，dn为第n层剪力墙或柱的找平补偿值；n1与(n-1)1 分别为本层与下一层的累积变形“已发生值”。在实际施工中，可通过调整每层模板的高度和混凝土的浇筑高度来实

12、现随层找平补偿。 3.4 做好施工期间的变形监测 高层建筑结构的变形监测，为结构施工期间的变形状态提供了实时数据。通过对变形数据的分析和与理论计算的对比，可知晓结构体系在当前施工进程下的变形状态，并为确定下一个施工阶段的变形控制措施提供了决策依据。通过“监测一施工调整一监测一再调整”的控制循环，能使整个施工阶段高层建筑结构的变形处于可控状态。变形的监测时间，应当在建筑结构在施工期间其几何形状发生改变，以及施工环境发生较大改变时予以进行：1)竖向变形监测的实施，在每层核心筒与楼板施工前、后应进行；在楼板跟进施工以前，钢框架柱在首层柱安装完毕后进行首次观测，以后在每个补偿段段施工完毕后施测一次。2)首段核心筒先行施工，且在钢框架还没有跟进施工时，处于完全悬臂状态的核心筒由于没有钢框架的侧向支承，且此时混凝土弹性模量较低，结构侧移刚度小。因此在浇筑每层混凝土前应进行水平变形监测。3)当气温变化剧烈时，应考虑温度对竖向变形的影响，应进行竖向变形监测；当施工遇大风天气，应进行水平变形监测。 参考文献： 【1】惠