施工时间参数对混合体系竖向变形差的影响

黄湘湘 周绪红

摘要：利用考虑时间因子的有限元方法研究了钢框架钢筋混凝土核心筒混合体系的竖向变形差问题.分析表明，施工方案中的时间参数可以确定结构计算中需要考虑的混凝土收缩徐变的数量和参与作用的时间，从而使混凝土收缩徐变对体系竖向变形差以及各构件内力分配的影响发生明显变化.适当增大结构混凝土部分相对于钢结构部分提前施工的层数是减小混凝土收缩徐变效应的较好方法.

关键词：施工方案；时间参数；收缩徐变；混合体系；竖向变形差

中图分类号：TU973.14 文献标识码：A

混凝土的收缩和徐变对高层混合体系竖向变形差的影响比较显著＼[1-9＼]，而施工方案中的各时间参数对其有重要的控制作用.施工方案对结构各部分的施工顺序及时长的规定，一方面将确定钢结构部分与混凝土部分逐步形成整体并共同受力的时刻，从而影响竖向荷载在两部分之间的分配；另一方面，还将确定各混凝土构件的加载龄期及其在各相关施工阶段计算时刻的龄期，会极大地影响需要计算的混凝土收缩和徐变的数量.

本文引入时间因子，模拟逐层施工过程，采用我国桥规JTG D62—2004＼[10＼]提出的收缩和徐变公式以及文献＼[9＼]和＼[11＼]介绍的按龄期调整混凝土有效模量的方法，研究施工时间参数改变混凝土收缩徐变对混合体系竖向变形差及各构件内力的影响程度.

1算例模型

本文算例采用文献＼[9＼]中的钢框架钢筋混凝土核心筒混合体系，各构件材料及截面尺寸详见文献＼[9＼]，平面布置如图1所示，层高为3.6 m，计算时分为30层和60层两种情况.

2分析结果

模型计算结果分为以下3种工况：工况1仅考虑竖向荷载作用；工况2考虑竖向荷载及截至主体结构施工完毕时的混凝土收缩徐变效应；工况3考虑竖向荷载及截至主体结构施工完毕3年时的混凝土收缩徐变效应.通常，仅考虑竖向荷载时，结构钢柱的缩短大于筒体的缩短；考虑混凝土收缩徐变会较大幅度地增加混凝土筒体的缩短，并通过内力重分布使钢柱的缩短小幅度增加，从而减小柱筒竖向变形差（钢柱缩短减去筒体缩短）.

结构施工方案中两个重要的时间参数是结构每层施工的天数sday和结构混凝土部分相对于钢结构部分提前施工的层数spre.本文计算的标准状态为： sday=6 d；spre=6 s；环境相对湿度RH=80%；混凝土开始收缩的龄期ts=6 d.为了分析时间参数sday和spre对计算结果的影响，本文将在仅改变sday或spre其中之一的前提下，对比标准状态，sday=3 d，spre=3 s以及spre=9 s的计算结果（后3种状态的其他参数与标准状态相同）.总体来说，时间参数sday和spre共同确定的混凝土收缩徐变自由发展（即不予计算）的时间越长、模型分析总计算时间越少，则混凝土收缩徐变的影响越小.

2.1收缩徐变引起的钢柱与筒体的竖向缩短

表1和表2给出的是以工况1缩短值为基准，底层钢柱C3（平面位置见图1）和底层混凝土筒体在工况2和工况3下的缩短值增加比例.60层模型混凝土筒体的自重较大，结构整体联系更多，混凝土的收缩徐变效应能更多地转移至钢框架，故与30层模型相比，筒体缩短的增幅较小，而钢柱缩短的增幅较大.与工况2相比，工况3的总计算时间较长，参与计算的收缩徐变较多，钢柱和筒体的总缩短值增幅较大，可以分别达到7%～14%和70%～125%.使钢柱与筒体的缩短增幅最小的措施是减小sday，其原因是减少了主体结构施工期的长度，总计算时间也随之相对较短，但后续开展的混凝土收缩徐变还将对结构产生持续效应，加上参数sday的调整对施工期长度的影响太剧烈，受到的人力物力资金等条件的制约也较多，故不宜调整sday.而增加spre可以明显地增加混凝土收缩徐变的自由发展时间，能直接减少需要计算的收缩徐变数量，对施工期长度的影响也不大，因此，在保证施工安全的前提下，适当增加spre是减少收缩徐变效应的较好措施.

2.2钢柱与筒体的竖向变形差

图2和图3分别给出的是工况2和工况3下模型在标准状态，sday=3 d，spre=3 s以及spre=9 s四种时间参数条件下（图例分别为standard，sday3，spre3和spre9）的各楼层柱筒累积竖向变形差.工况3与工况2相比，需要计算的混凝土收缩徐变更多，柱筒竖向变形差进一步减小.各图中时间参数spre的不同取值带来的竖向变形差的差异比较明显.增加spre能减少混凝土收缩徐变的影响，使柱筒竖向变形差较大.若要按文献＼[12＼]提供的方法对结构进行竖向变形差补偿，建议先进行施工方案规划，根据施工方案计算出结构的竖向变形差结果后，再进行补偿设计和验算.

2.3钢柱轴力

时间参数spre不仅影响需要计算的混凝土收缩徐变的数量，还是确定钢与混凝土两大部分何时逐步形成整体结构并共同受力的决定因素.即使不考虑混凝土的收缩徐变，减小spre也会使钢框架提前参与整体结构的竖向荷载分配，从而增加钢柱的轴压力值.在工况1下，以钢柱C3在标准状态下（此时spre=6 s）的轴力值为基准值，将柱C3在spre=3 s和spre=9 s条件下的轴力值与基准值之比值绘制于图4.当spre=3 s时，比值介于1.0～1.02之间；当spre=9 s时，比值介于0.98～1.0之间.

图5和图6给出的是以工况1各时间参数下各层柱C3的轴力值为基准值，工况2和工况3对应相同的时间参数下各层柱C3的轴力值与基准值的比值.图5和图6表明，通常在spre=3 s条件下钢柱轴力出现最大增幅，在工况2下，30层模型钢柱轴力增加比例最大可达6.4%，60层模型钢柱轴力增加比例最大可达13.5%；在工况3下，以上数字则分别为13.4%和19.2%.若要减小混凝土收缩徐变引起的钢柱轴力增加，则应该增大参数spre，例如当spre=9 s时，工况3下30层和60层模型的钢柱轴力最大增加比例分别减小为11.2%和17.2%.

柱C3轴力比

3结论

时间是混凝土收缩和徐变开展的重要控制参数，包含时间参数的施工方案确定结构各部分的建设顺序以及形成结构共同受力的时间，从而影响到混凝土收缩徐变对结构的作用程度.本文建立高层钢框架钢筋混凝土核心筒混合体系计算模型，用考虑时间因子的有限元方法对其竖向变形差及构件内力进行分析，得出了以下结论：

1）混凝土收缩徐变对高层钢框架钢筋混凝土核心筒混合体系竖向变形差以及各构件内力的影响非常显著，主体结构施工完毕后混凝土收缩徐变的进一步开展及其在结构中产生的后续效应不可忽略.通常，混凝土的收缩徐变可以减小柱筒竖向变形差，使钢柱轴力增加（增加幅度可达20%）.

2）施工方案中的两个时间参数，即结构每层施工的天数sday和结构混凝土部分相对于钢结构部分提前施工的层数spre，可以控制结构计算中需要考虑的混凝土收缩徐变的数量和参与作用的时间，从而影响混凝土收缩徐变对结构产生的效应.适当增大spre是减小混凝土收缩徐变效应的较好方法.若要对结构进行竖向变形差补偿，建议先确定施工方案中的相关时间参数，再计算结构的竖向变形差，最后进行补偿设计和验算.

参考文献

[1]周绪红，黄湘湘，王毅红，等. 钢框架钢筋混凝土核心筒体系竖向变形差异的计算＼[J＼].建筑结构学报，2005，26（2）：66-73.

ZHOU Xuhong， HUANG Xiangxiang， WANG Yihong， et al. Calculation of the differential shortening of steel framereinforced concrete corewall structure＼[J＼]. Journal of Building Structures， 2005，26（2）：66-73. （In Chinese）

[2]沈蒲生，方辉，夏心红. 混凝土收缩徐变对高层混合结构的影响及对策＼[J＼]. 湖南大学学报：自然科学版，2008， 35（1）：1-5.

SHEN Pusheng， FANG Hui， XIA Xinhong. Influence of creep and shrinkage on tall hybrid structures and its countermeasures＼[J＼]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2008， 35（1）：1-5. （In Chinese）

[3]林超伟，王兴法，陈勤， 等. 长富金茂大厦混凝土收缩徐变分析及结构设计＼[J＼].建筑结构，2011，41（5）：43-45.

LIN Chaowei， WANG Xingfa， CHEN Qin， et al. Structural design and concrete shrinkage and creep analysis of Changfu Jinmao Building＼[J＼]. Building Structure， 2011，41（5）：43-45. （In Chinese）

[4]郑七振，康伟，吴探， 等. 超高层混合建筑结构竖向变形差计算分析＼[J＼].建筑结构，2011，41（8）：49-53.

ZHENG QIzhen， KANG Wei， WU Tan， et al. Calculation and analysis on the different vertical deformation of super highrise hybrid building structures＼[J＼]. Building Structure， 2011，41（8）：49-53. （In Chinese）

[5]赵汉青， 贺世伟， 潘文， 等. 高层框架核心筒结构考虑加载方式及混凝土收缩徐变影响下的竖向位移差分析＼[J＼].科学技术与工程，2012，12（12）：3005-3009.

ZHAO Hanqing， HE Shiwei， PAN Wen， et al. Vertical deformation analysis on mixed structure considering the load simulation methods and the timevarying performance of concrete＼[J＼]. Science Technology and Engineering， 2012，12（12）：3005-3009. （In Chinese）

[6]王化杰，范峰，支旭东， 等. 超高层结构施工竖向变形规律及预变形控制研究＼[J＼].工程力学，2013，30（2）：298-305.

WANG Huajie， FAN Feng， ZHI Xudong， et al. Research of vertical deformation and predeformation of super highrise buildings during construction ＼[J＼]. Engineering Mechanics， 2013，30（2）：298-305. （In Chinese）

[7]张盼盼， 赵昕， 郑毅敏. 超高层混合结构竖向变形分析及补偿＼[J＼].建筑结构，2013，43（6）：45-49.

ZHANG Panpan， ZHAO Xin， ZHENG Yimin. Vertical members shortening and compensation analysis of super highrise composite buildings ＼[J＼]. Building Structure， 2013，43（6）：45-49. （In Chinese）

[8]尧国皇，于清. 高层钢管混凝土框架混凝土核心筒混合结构的竖向变形差分析＼[J＼].建筑钢结构进展，2014，16（1）：58-64.

YAO Guohuang， YU Qing. Vertical differential deformation analysis of a highrise CFST frameRC corewall mixed structure ＼[J＼]. Progress in Steel Building Structure， 2014，16（1）：58-64. （In Chinese）

[9]黄湘湘，周绪红. 混凝土收缩徐变的长期效应对混合体系竖向变形差的影响＼[J＼]. 湖南大学学报：自然科学版，2013， 40（5）：1-6.

HUANG Xiangxiang， ZHOU Xuhong. The long term effects of concrete shrinkage and creep on vertical differential shortening of hybrid structures ＼[J＼]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2013， 40（5）：1-6. （In Chinese）

[10]JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范＼[S＼]. 北京：人民交通出版社， 2004：118-120.

JTG D62—2004 Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts＼[S＼]. Beijing： China Communications Press， 2004：118-120. （In Chinese）

[11]BAZANT Z P. Prediction of concrete creep effect using ageadjusted effective modulus method ＼[J＼]. ACI Journal，1972，69（4）：212-217.

[12]周绪红，黄湘湘，王毅红， 等. 钢框架钢筋混凝土核心筒体系竖向变形差异补偿对结构性能的影响＼[J＼].土木工程学报，2006，39（4）：19-23.

ZHOU Xuhong， HUANG Xiangxiang， WANG Yihong， et al. Influence of the vertical deformation compensation of corewall systems on the characteristics of steel framereinforced concrete structures＼[J＼]. China Civil Engineering Journal， 2006，39（4）：19-23. （In Chinese）