超高层混合结构施工阶段竖向变形分析

杨帆 芦长青

（1国家开放大学兰州学院，2兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730000）

0 引言

本文的工程背景为“甘肃某超高层综合体”，地下5层，主体地上39层。地下室主要为车库及甲类核6级人防。地上1～7层为大堂、餐饮；9～18层为办公；19～39层为酒店客房。房屋高度196m。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第11.3.3条，计算墙、柱构件竖向变形差异时，宜考虑混凝土收缩、徐变的影响。在工程实际应用中，需同时考虑竖向构件的恒载弹性压缩、收缩和徐变的施工模拟分析。国内常用软件在计算参数中，提供处理恒载计算的3种算法：一次性加载、施工模拟1（近似模拟施工过程方法）、施工模拟3（精确模拟施工过程方法）。

1 处理恒载计算的3种算法

1.1 一次加载法

在工程实际中，考虑施工工序的分析是符合现实模型的，一次性加载是一种理论化的假设，其两者对于整体模型的分析结果不同。一次加载法会导致计算误差。

1.2 施工模拟1法

模拟施工1的刚度是一次集成，再按楼层顺序施加恒载，是一种近似的处理方式，是对效率和精度的折衷。在模拟施工加载的变形效果的同时又不会对计算效率造成太大影响。

1.3 施工模拟3法

模拟施工3采用分层刚度分层加载的模型，这种方式假定每个楼层加载时，其下面的楼层已经施工完毕，由于已经在楼层平面处找平，该层加载时下部没有变形，下面各层的受力变形不会影响到本层以上各层，因此避开了一次性加载常见的梁受力异常的现象。这种模式下，该层的受力和位移变形主要由该层及其以上各层的受力和刚度决定。

2 计算模型和参数

2.1 加载参数

竖向恒载下，考虑弹性压缩、收缩和徐变的施工模拟分析，需采用MIDAS/Gen程序完成，其模型和恒载分析参数基本与SATWE和MIDAS/Building的模型相同。施工加载的楼层增幅按1层考虑（逐层加载），楼层施工持续时间按10天考虑，构件材龄按设计龄期28天考虑。

2.2 收缩、徐变系数

根据《CEB-FIP model code 1990》，考虑材料徐变和收缩的特征值，28天龄期的混凝土立方体抗压强度按《混凝土结构设计规范》GB50010采用，环境年平均相对湿度按50%考虑，构件理论厚度按2Ac/u计算，其中Ac为构件截面积、u为构件与大气接触的周边长度，水泥按普通硅酸盐水泥考虑，收缩开始前的混凝土龄期按3天考虑。图4、图5为C60、C40混凝土的徐变系数和收缩系数曲线。标准试件混凝土的极限收缩应变为3.24x10-4。

2.3 型钢混凝土柱的修正

由于程序暂不能考虑型钢混凝土构件的收缩和徐变，需将型钢混凝土构件按轴向刚度和抗弯刚度相等的原则等效为混凝土构件。型钢柱的含钢率较高，对收缩和徐变有减小作用，因而可将型钢视作钢筋，按《工程结构裂缝控制》（王铁梦）的建议数值进行修正。由于计算程序尚无法对部分构件的徐变和收缩值进行修正，本次计算按两种极端情况进行，一种为完全按钢筋混凝土构件计算柱、墙的收缩和徐变，另一种为完全不考虑型钢柱的收缩、徐变，然后对其结果进行分析综合。

3 施工阶段竖向变形分析结果

3.1 恒载弹性压缩变形分析

1）根据计算结果的分析，对于恒载弹性压缩变形，不考虑施工模拟时的最大值发生在顶部，而考虑施工模拟加载时的最大值发生在中部楼层（19层），呈鱼腹形。

2）竖向变形较大的19层构件，由于压缩变形，引起竖向构件墙和柱的最大绝对变形为11.3mm,最大差异变形为4.9mm。由于刚性连接水平构件的存在，该差异变形会引起水平构件和竖向构件内力的变化，使得轴向变形较大的构件（一般为柱）轴力减小，轴向变形较小的构件（一般为墙）轴力加大，即卸载作用。

3.2 混凝土徐变分析

1）对于徐变变形，不考虑施工模拟时的最大值发生在顶部，而考虑施工模拟加载时的最大值发生在中部楼层（19层），呈鱼腹形。

2）图1为19层构件的竖向变形平面，由于徐变变形，引起竖向构件墙和柱的最大绝对变形为5.7mm，最大差异变形为1.8mm。图2为差异徐变引起的19层梁弯矩图，框架梁在外围柱处产生了正弯矩，在核心筒处产生负弯矩。外围框架柱产生拉力，核心筒产生压力。墙体徐变小于柱徐变。

图1 施工阶段徐变压缩变形图（19层）

图2 施工阶段徐变的梁弯矩图（19层）

3.3 混凝土收缩分析

1）图3为典型框架柱和墙体采用施工模拟分析和一次加载的收缩竖向变形图。由图可见，对于收缩变形，不考虑施工模拟时的最大值发生在顶部，而考虑施工模拟加载时的最大值发生在中部楼层（19层），呈鱼腹形。墙体收缩大于柱收缩。

图3 施工阶段收缩变形（Z1、Q1）

2）图4为19层构件竖向变形平面，由于收缩变形，引起竖向构件墙和柱的最大绝对变形为3.3mm,最大差异变形为0.4mm。图5为差异收缩引起的19层梁弯矩图，框架梁在外围柱处产生负弯矩，在核心筒处产生正弯矩。外围框架柱产生压力，核心筒产生拉力。

图4 施工阶段收缩变形图（19层）

图5 施工阶段收缩的梁弯矩图（19层）

4 结论

目前的普通结构设计中，一般只考虑施工模拟分析下的恒载弹性压缩变形，而徐变、收缩和沉降的影响很少考虑，对于超高层结构，特别是混合结构，根据前面的分析，如果要考虑其影响，需要把以上不利附加内力叠加到SATWE和Building程序的计算结果中。

考虑徐变、收缩和沉降的不利影响和附加内力，根据分析结果针对设计过程提出相应加强措施。本文仅对施工阶段竖向变形进行分析，所提计算结果的处理方法对类似工程的设计提供了可以借鉴的经验。