混凝土收缩徐变对珠海铁建大厦施工阶段的影响

林其涛， 汪渲淋， 王箫童， 乔文涛

(1. 中铁城建集团第一工程有限公司， 山西 太原 030024； 2. 石家庄铁道大学 土木工程学院， 河北 石家庄 050043)

框架-核心筒结构能够同时发挥框架结构和筒体结构两种结构体系的优势，因而该结构成为超高层建筑中应用最广泛的结构形式之一[1]。一般而言框架-核心筒结构是由混凝土核心筒体(包括混凝土柱、墙、梁、楼板及相应的节点)和巨型钢管(型钢)混凝土柱及H型钢构成的外框架组合而成，具有整体刚度大、体系灵活多样、施工速度快等优点，有良好的建筑适应性和高效的结构性能[2,3]。然而传统设计中采用的一次加载法不能很好地反映框架-核心筒结构在施工阶段的力学性能，其结构自重与施工过程中的活载等竖向荷载分布不均，混凝土核心筒抗压能力比外框架要大，在竖向荷载作用下会引起核心筒与外框架的竖向变形差[4～7]，因此需要采用施工阶段的精确模拟法[8,9]来反映框架-核心筒结构施工阶段的力学性能。关于一次加载法与施工过程模拟方法的利弊已经有了充分的研究，在高层建筑、大跨建筑等结构分析中，进行施工力学分析是十分必要的。

由于框架-核心筒结构体系在施工时混凝土用量十分巨大，混凝土的收缩徐变对结构构件的内力和内筒与外框架竖向变形差会产生很大影响。内外变形不一致会在结构构件内部产生次内力，因此对于框架-核心筒结构考虑收缩徐变的施工力学分析尤为关键[10～13]。现有研究中，部分分析结果显示框架柱由于使用了钢管混凝土柱，在分析时可不考虑混凝土收缩徐变效应，但本文仍然将考虑外框架柱中混凝土的收缩徐变，将以珠海铁建大厦A座办公楼框架-核心筒结构为对象，建立有限元模型，采用欧洲CEB-FIP(2010)收缩徐变模型分析施工过程中收缩徐变对该结构力学性能的影响。

1 分析方法

1.1 施工阶段的精确模拟法

图1 施工阶段精确模拟法示意

1.2 CEB-FIP(2010)收缩徐变模型

现阶段混凝土收缩徐变计算模型中，应用较为广泛的是欧洲混凝土委员会与国际预应力混凝土协会提出的CEB-FIP系列模型[16～18]，本文采用对相应环境参数修正后的CEB-FIP(2010)计算模型。

有限元软件Midas Gen 中可对混凝土的收缩徐变效应进行设置，选取CEB-FIP(2010)计算模型来编辑时间依存材料，即对核心筒以及外框架柱的混凝土施加时变特性，使其在分析时能够分别计算混凝土弹性变形、收缩变形以及徐变变形。图2，3分别为徐变和收缩设置情况。

图2 徐变设置

图3 收缩设置

2 有限元模型

2.1 工程概况

珠海铁建大厦A座办公楼地下3层，地上47层，总高度达206.75 m。地上办公楼部分26层以下为租售办公，28～46层为总部办公，A座办公楼采用钢-混组合外框-钢筋混凝土核心筒结构，办公楼周边共14根钢混柱，5层以上四角各2根为钢混柱，中间为混凝土柱，每一层钢梁与剪力墙内连接成一体，形成稳定结构。A座办公楼钢柱主要为钢管柱、十字型及H型劲性钢柱，钢梁主要为H型钢梁。

2.2 模型建立

应用有限元软件Midas Gen建立珠海铁建大厦A座办公楼有限元模型，地上为47层，将结构进行简化后，设置层高为4.4 m。结构的柱、梁均采用梁单元模拟，混凝土核心筒剪力墙采用墙单元模拟。材料选取方面，核心筒混凝土材料选用C60的强度，核心筒中连梁采用C40的强度；外框架巨型柱为钢管混凝土柱，角柱混凝土采用C60的强度，钢材采用Q345号钢材，边柱自5层向上为混凝土柱，5层以下为组合柱；钢框架同样采用Q345号钢材。荷载选取方面，结构自重通过单元体积与密度自动计算得到，施工阶段施加的恒荷载取4.0 kN/m2，施工阶段施加的活荷载取2.0 kN/m2，因主要研究收缩徐变的影响，这里不考虑风荷载。假定首层底部的水平和竖向变形均为零，巨型柱中钢管(型钢)以及钢筋与混凝土具有良好的粘结，可以很好地协同变形，有限元模型建模过程如图4所示。

图4 模型建立过程

2.3 施工阶段划分

CECS230：2008《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》指出：钢框架-混凝土核心筒混合结构施工时，混凝土核心筒应超前外框架施工，一般超前10～14层[19]。超高层建筑的施工过程模拟按照每个阶段向上施工一层，计算是十分繁琐的，可以选择每次向上施工一组(一组包含多层)，尽量保证计算精度的同时，能够简化计算。本文按照超前施工法，核心筒超前外框架12层，每个施工段向上施工3层，在有限元软件中定义每个阶段的结构组、边界组以及荷载组，完成施工阶段的划分，施工阶段具体划分情况如表1所示。

表1 珠海铁建大厦施工阶段划分

续表1

3 施工力学分析

由施工进度计划，在有限元模型中设置施工速度为核心筒与外框架每7 d向上施工一层，每个施工段(除顶层施工外)包含3层，需要施工21 d，内筒比外框架先施工12层；混凝土的养护条件为湿润养护，龄期为3 d，空气相对湿度为90%，按照CEB-FIP(2010)模型考虑收缩徐变。

考虑到该结构平面图有近似的对称性，可取Q1作为核心筒的变形计算位置，而外框架柱有两种，分别为边柱和角柱，则分别取角柱Z1和边柱Z2为外框架柱变形计算位置，如图5所示。

当δR=0时,将其代入式(17),可得到发射机的相关函数(correlation function,CF),即

图5 结构平面

3.1 柱底轴力

图6～8分别为外框架柱Z1，Z2以及核心筒Q1的柱底轴力随施工阶段的变化曲线。

图6 Z1柱底轴力随施工阶段的变化曲线

图7 Z2柱底轴力随施工阶段的变化曲线

图8 核心筒柱底轴力随施工阶段的变化曲线

表2列出了最终施工阶段Z1，Z2以及核心筒Q1的柱底轴力变化中收缩徐变引起的轴力C+S与总柱底轴力T的比值。

表2 柱底轴力以及比值

从图6可以看出，随着施工段的推进，无论哪种原因引起的Z1轴力，都近似为线性增大，外荷载引起的柱底轴力为压力，而混凝土收缩徐变引起的柱底轴力为拉力，对柱底轴力来说有着减小其压应力的作用，但根据表2，混凝土收缩徐变引起的轴力占比很小，在最终施工阶段仅为0.08；图7显示Z2柱底轴力随施工段进行而逐渐增大，也呈线性变化，荷载引起的柱底轴力与总轴力变化曲线几乎重合，混凝土收缩徐变的影响很小；图8表明核心筒的柱底轴力随施工段的进行而逐渐增大，且在施工阶段CS16时核心筒封顶后，柱底轴力的增加明显变得非常缓慢，混凝土收缩徐变引起的柱底轴力仅占总轴力的0.01，十分微小。

3.2 竖向变形及变形差

图9～14分别为Q1，Z1，Z2的竖向变形以及各变形与总变形的比值，图15为内外变形差。

图9 Q1竖向变形

图10 Q1各变形占比

图11 Z1竖向变形

图12 Z1各变形占比

图13 Z2竖向变形

图14 Z2各变形占比

图9，10显示，核心筒Q1的各竖向变形均呈现中间楼层较大而底部和顶部较小的特点，在25层左右有最大变形。徐变变形约占总变形的15%～20%；收缩变形占比在中间楼层较小，约为25%，而在底层和顶层较大，最大处约为50%；弹性变形占比为中间楼层较大，底部和顶层较小。可以看出，Q1的竖向变形，在中间楼层起主要作用的是弹性变形，而在底层和靠近顶层的位置，收缩徐变占比较大，甚至会超过50%。

图11，12表明，Z1各竖向变形在中间楼层较大，而在底部和顶层较小，在25层左右有最大变形，各变形占比在不同楼层较为一致，收缩变形和徐变变形占比较为接近约为10%～20%。

图13，14显示，Z2竖向变形在前5层为线性增长，且增加非常迅速，而在5～25层左右没有明显增加，25层以后开始逐渐减小，收缩变形和徐变变形约占总变形的20%。

图15 竖向变形差随楼层的变化曲线

图15为结构的竖向变形差随楼层的变化曲线。对于本结构，核心筒的竖向变形滞后于外框架柱的竖向变形，即不考虑混凝土收缩徐变时，外框架柱竖向变形将一直大于核心筒，结构内外变形差恒为正值且较大；当考虑收缩徐变效应后，浇筑大量混凝土的核心筒竖向变形量有所增加，内外变形差反而开始减小，甚至在接近顶层的位置内外变形差值反号为负值，即核心筒竖向变形开始大于外框架柱。

表3列出了结构封顶时、封顶一年后、封顶三年后的Q1，Z1，Z2的收缩变形以及徐变变形，这里仅选取1～2层间的竖向变形，且表中列出的为变化值。

表3 1～2层收缩徐变变形随时间变化情况 mm

由表3可以看出，1～2层的竖向变形中，收缩在结构刚封顶时较大，但在结构封顶一年后就迅速减小到近似为0，而徐变变形则在刚封顶时较大，封顶一年后徐变增加量非常小，而到了封顶三年后，徐变非常缓慢地进行，徐变增加量基本稳定在一个较低水平。

3.3 施工现场监测对比分析

珠海铁建大厦现场施工时，对结构的竖向变形进行了连续监测，图16为施工监测现场照片，该位置为测点2的布置位置，图17为竖向变形测点布置图。

图16 施工现场 图17 测点布置

表4列出了1～2层之间变形监测结果以及和有限元模拟结果的对比情况。

表4 监测结果与模拟结果的对比

根据施工现场监测数据可以看出，监测值均大于模拟结果，相对误差最大能够达到14.5%，误差可能是由以下几方面原因造成的：(1)监测仪器安放不标准或者仪器本身存在精度问题，在对中、整平、瞄准时会有人为观测误差；(2)温度、湿度、风等环境因素会影响现场监测值；(3)有限元模型并非能够完全模拟最真实的施工情况，例如有限元模拟时是按照每一层整体添加上去，但实际施工时可能存在框架柱和框架梁不同步施工，并且施工荷载在实际当中较为复杂，包括温度荷载、风荷载等的影响在有限元中并不能完全对应。但是总体来说，分析计算得到的模拟结果与实测值仍然吻合较好，可以作为施工的参考依据。

3.4 预埋件调整值

考虑收缩徐变后，内外变形差正、负值将会带来一个问题，原先核心筒上与钢梁端部连接的预埋件，其位置需要进行调整，否则会因为变形差产生较大的次内力，对结构不利。本文通过分析，表5给出了各层预埋件调整值(正值表示下调，负值表示上调)，可对现场施工提供参考，限于篇幅，仅列出调整值较大的10层结果。

表5 预埋件调整值 mm

4 结 论

本文以珠海铁建大厦为分析对象，建立了该超高层框架-核心筒结构有限元模型，采用CEB-FIP(2010)计算模型考虑混凝土的收缩徐变作用，模拟了其施工过程中收缩徐变对该结构力学性能的影响，得出如下结论：

(1)柱底轴力结果表明，收缩徐变能够减小混凝土柱以及钢管(型钢)混凝土柱的轴向压力，但是这种减小轴力的作用十分有限，柱底轴力仍然由自重和外荷载决定。

(2)竖向变形结果表明，混凝土的收缩徐变对核心筒墙体的竖向变形影响较大，施工时应加以考虑。

(3)珠海铁建大厦38层之下的结构，在混凝土的收缩徐变效应下，内外变形差会有所减小，对于结构是有利的；而38层以上的结构，收缩徐变效应反而会使内外变形差反号增大，将引起核心筒与框架联系梁的附加弯矩和剪力，并通过剪力带来框架和核心筒附加的轴力，对于结构十分不利，施工时应该重点注意。

(4)本文分析结果显示，使用钢管混凝土柱的外框架柱，仍然会受到混凝土收缩徐变作用的影响，且这种影响不可忽视，建议今后对同类结构进行分析时，外框架柱与核心筒均考虑混凝土的收缩徐变作用。

(5)总体来说有限元分析结果和施工监测值符合较好，并根据分析结果给出了预埋件调整值，可以作为施工参考依据。