考虑施工过程收缩徐变对高层建筑结构影响的试验与理论研究

2024-04-21庄建新济南热电工程有限公司山东济南250001

砖瓦 2024年4期

庄建新（济南热电工程有限公司，山东济南 250001）

高层建筑结构作为现代城市建筑的重要组成部分，其设计与施工的精度与稳定性至关重要。然而，在实际施工过程中，混凝土的收缩徐变现象对高层建筑结构的稳定性与安全性产生了显著影响[1]。收缩徐变是混凝土的一种固有特性，主要由于混凝土内部水分的蒸发和化学反应导致体积变化，进而引发结构的变形。这种变形在长期荷载的作用下会持续累积，对高层建筑结构的承载能力、抗震性能和稳定性产生不可忽视的影响[2-3]。

基于此，研究引入混凝土收缩徐变数学模型，结合数值模拟方法，模拟实际施工条件，建立高层建筑结构的精细化模型，分析结构施工完成后、使用20年和使用50年的位移变化规律。研究成果不仅有助于深化对高层建筑结构长期变形的理解，为实际工程提供理论支持，还有助于推动建筑行业的技术进步，提高高层建筑的安全性和稳定性[4]。研究成果可用于减小施工过程收缩徐变对高层建筑结构的影响，提高建筑的长期性能和使用寿命，以期为高层建筑结构的优化设计和施工提供重要的科学依据。

1 工程概况

山东省济南市某高层建筑为酒店式公寓，建筑高度为120m，建筑平面大致呈长方形，长度为27.2m，宽度为55m，结构标准层示意图如图1所示。公寓整体采用混凝土框架剪力墙结构，塔楼上部共有35层，包括局部出屋面2 层，设地下停车场2 层，土柱尺寸主要为450mm×450mm、350mm×350mm，混凝土强度等级为C50；混凝土楼板厚度为120mm，混凝土强度等级为C30；混凝土剪力墙厚度为350mm，混凝土强度等级为C60；混凝土主梁600mm×500mm，次梁为300mm×300mm，混凝土强度等级为C35。由于建筑物高度和竖向荷载作用较大，结构受到收缩徐变的影响将导致产生内力重分布，高层建筑的收缩徐变值在长期服役状态下十分可观，往往可以达到弹性变形的2～3倍甚至更多，这对于结构的变形和稳定性极为不利，极易发生混凝土的开裂和耐久性的下降。因此，考虑高层建筑混凝土长期收缩徐变效应，确保建筑物的安全和使用性能。

图1 高层酒店式公寓标准层结构平面示意图

2 施工过程高层混凝土结构的收缩徐变计算理论模型

混凝土结构的收缩徐变是与时间有关的渐进式演变过程，与混凝土自身的材料属性、含水率、外荷载、温度等各种因素有关，在模拟计算时应该考虑收缩应变和徐变应变的相互耦合。预测混凝土结构长期荷载作用下的徐变应变，可以在混凝土结构弹性应变的基础上叠加时间因数，其计算方法如公式（1）和公式（2）所示[5-7]。

式中εcr为混凝土结构长期荷载作用下的徐变应变；Φ(t,t0)为混凝土随时间变化的徐变系数；fcm为28d 龄期混凝土平均抗压强度，MPa；fcm0为3d 龄期混凝土抗压强度，MPa；t为时间，d；t0为混凝土加载初始时间，d；RH为环境相对湿度，%；RH0为加载初期环境相对湿度，%；h为构件的名义尺寸，其计算方法为混凝土的截面积除以0.5 倍的大气接触周边长度，mm；h0为构件在加载初期的名义尺寸，mm。

与徐变应变类似，预测混凝土结构长期荷载作用下的收缩应变为时间相关的收缩变化发展系数与混凝土名义收缩系数的乘积，其计算方法如公式（3）和公式（4）所示。

式中εcr(t,ts)为混凝土结构长期荷载作用下的收缩应变；ts为考虑收缩开始时混凝土龄期，d：εcs0为混凝土名义收缩系数；βs为时间相关的收缩变化发展系数。

3 考虑施工过程的高层混凝土结构收缩徐变数值计算

3.1 高层建筑混凝土结构收缩徐变数值计算模型建立

高层建筑的数值计算采用SAP2000有限元分析软件进行建模求解，为考虑施工过程的影响，在建立计算模型时对各个材料的属性进行了时间属性设置，以便于计算时从施工阶段即积累了收缩徐变应变值。在计算时，结构的自重荷载随着高度增加逐层生成和施加，施工荷载则确定为1.5kN/m2，随后对高层结构的变形分为两部分计算，其中一部分为弹性变形计算，计算完成后对结构的应力和变形重新分布，结构的整体刚度矩阵也重新调整，再进行徐变收缩效应分析，高层建筑的最终变形为弹性变形与收缩徐变变形的叠加[8-9]。值得注意的是，为了简化结构的计算复杂程度，提高计算效率，结构长期徐变收缩效应不考虑泊松徐变变形，也不考虑混凝土钢筋对长期收缩徐变约束的有利影响。计算中考虑施工过程时，混凝土结构初始加载时间为结构的拆模时间，混凝土收缩开始时间为浇筑第3d，施工速率为平均10d完成1层，工期约13个月。图2为计算时采用的混凝土结构收缩应变曲线和徐变系数曲线，随着时间的增加，徐变系数呈现近双曲线变化趋势，最大徐变系数达到1.36，收缩系数也呈近双曲线变化趋势，最大收缩系数达到145。

图2 混凝土结构收缩应变曲线和徐变系数曲线

3.2 高层建筑混凝土结构收缩徐变数值计算结果分析

图3为施工结束时混凝土结构第32 层变形分布图，图中负值表示位移向下。从图3中可以看出，施工阶段由于收缩徐变引起的高层建筑结构变形在平面上分布不均，其中，建筑平面两端尖角位置的位移发生量较大，最大位移达到-75mm，结合图1，可知结构a 节点和b 节点之间的竖向变形差最大，因此，对这两个节点的变形展开具体分析。

图3 施工结束时混凝土结构第32层变形分布图

图4为建筑物在施工阶段后a 节点、b 节点的位移以及位移差，位移差的计算方法为a节点的位移减b节点的位移。从图4中可以看出，随着楼层高度的增加，a点位移、b点位移的变化趋势大致相同，呈现逐步增加，并在30 层以后趋于稳定的变化趋势；节点位移差呈现分段式变化趋势，在楼层小于15层时，节点之间的位移差较小，且数值基本接近，在楼层16 层～30 层之间时，节点之间的位移差随着楼层高度的增加而增加，在楼层大于31层时，节点之间的位移差达到最大，且数值基本接近。

图4 建筑物在施工阶段后a节点、b节点的位移以及位移差

图5为建筑物在使用20年后a 节点、b节点的位移以及位移差。从图5中可以看出，随着高度的增加，a点位移、b 点位移的变化趋势大致相同，呈现逐步近线性增加的趋势；节点位移差呈现分段式变化趋势，在楼层小于20 层时，节点之间的位移差较小，且数值基本接近，在楼层21层～30层之间时，节点之间的位移差随着楼层高度的增加而增加，在楼层大于31层时，节点之间的位移差达到最大，且数值基本接近。

图5 建筑物在使用20年后a节点、b节点的位移以及位移差

图6为建筑物在使用50年后a 节点、b节点的位移以及位移差。从图6中可以看出，随着高度的增加，a点位移、b 点位移的变化趋势大致相同，呈现逐步近线性增加的趋势；节点位移差呈现分段式变化趋势，在楼层小于20 层时，节点之间的位移差随着楼层高度的增加而增加，在楼层大于21层时，节点之间的位移差达到最大，且数值基本接近。

图6 建筑物在使用50年后a节点、b节点的位移以及位移差

对比图4、图5和图6可知，a点、b点的最大位移均随着时间的增加而不断增加，a 点在施工结束后、使用20 年后、使用50 年后的最大位移分别为76.48mm、90.14mm 和109.47mm；b 点在施工结束后、使用20 年后、使用50 年后的最大位移分别为52.84mm、69.35mm和75.09mm。由此表明，时间因素是影响高层建筑收缩徐变变形的重要因素之一，使用时间越长，结构的收缩徐变越大，对结构的受力和变形越不利。