施工時間參數對混合體系豎向變形差的影響

黃湘湘 周緒紅

摘要：利用考慮時間因子的有限元方法研究了鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合體系的豎向變形差問題.分析表明，施工方案中的時間參數可以確定結構計算中需要考慮的混凝土收縮徐變的數量和參與作用的時間，從而使混凝土收縮徐變對體系豎向變形差以及各構件內力分配的影響發生明顯變化.適當增大結構混凝土部分相對于鋼結構部分提前施工的層數是減小混凝土收縮徐變效應的較好方法.

關鍵詞：施工方案；時間參數；收縮徐變；混合體系；豎向變形差

中圖分類號：TU973.14 文獻標識碼：A

混凝土的收縮和徐變對高層混合體系豎向變形差的影響比較顯著＼[1-9＼]，而施工方案中的各時間參數對其有重要的控制作用.施工方案對結構各部分的施工順序及時長的規定，一方面將確定鋼結構部分與混凝土部分逐步形成整體并共同受力的時刻，從而影響豎向荷載在兩部分之間的分配；另一方面，還將確定各混凝土構件的加載齡期及其在各相關施工階段計算時刻的齡期，會極大地影響需要計算的混凝土收縮和徐變的數量.

本文引入時間因子，模擬逐層施工過程，采用我國橋規JTG D62—2004＼[10＼]提出的收縮和徐變公式以及文獻＼[9＼]和＼[11＼]介紹的按齡期調整混凝土有效模量的方法，研究施工時間參數改變混凝土收縮徐變對混合體系豎向變形差及各構件內力的影響程度.

1算例模型

本文算例采用文獻＼[9＼]中的鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合體系，各構件材料及截面尺寸詳見文獻＼[9＼]，平面布置如圖1所示，層高為3.6 m，計算時分為30層和60層兩種情況.

2分析結果

模型計算結果分為以下3種工況：工況1僅考慮豎向荷載作用；工況2考慮豎向荷載及截至主體結構施工完畢時的混凝土收縮徐變效應；工況3考慮豎向荷載及截至主體結構施工完畢3年時的混凝土收縮徐變效應.通常，僅考慮豎向荷載時，結構鋼柱的縮短大于筒體的縮短；考慮混凝土收縮徐變會較大幅度地增加混凝土筒體的縮短，并通過內力重分布使鋼柱的縮短小幅度增加，從而減小柱筒豎向變形差（鋼柱縮短減去筒體縮短）.

結構施工方案中兩個重要的時間參數是結構每層施工的天數sday和結構混凝土部分相對于鋼結構部分提前施工的層數spre.本文計算的標準狀態為： sday=6 d；spre=6 s；環境相對濕度RH=80%；混凝土開始收縮的齡期ts=6 d.為了分析時間參數sday和spre對計算結果的影響，本文將在僅改變sday或spre其中之一的前提下，對比標準狀態，sday=3 d，spre=3 s以及spre=9 s的計算結果（后3種狀態的其他參數與標準狀態相同）.總體來說，時間參數sday和spre共同確定的混凝土收縮徐變自由發展（即不予計算）的時間越長、模型分析總計算時間越少，則混凝土收縮徐變的影響越小.

2.1收縮徐變引起的鋼柱與筒體的豎向縮短

表1和表2給出的是以工況1縮短值為基準，底層鋼柱C3（平面位置見圖1）和底層混凝土筒體在工況2和工況3下的縮短值增加比例.60層模型混凝土筒體的自重較大，結構整體聯系更多，混凝土的收縮徐變效應能更多地轉移至鋼框架，故與30層模型相比，筒體縮短的增幅較小，而鋼柱縮短的增幅較大.與工況2相比，工況3的總計算時間較長，參與計算的收縮徐變較多，鋼柱和筒體的總縮短值增幅較大，可以分別達到7%～14%和70%～125%.使鋼柱與筒體的縮短增幅最小的措施是減小sday，其原因是減少了主體結構施工期的長度，總計算時間也隨之相對較短，但后續開展的混凝土收縮徐變還將對結構產生持續效應，加上參數sday的調整對施工期長度的影響太劇烈，受到的人力物力資金等條件的制約也較多，故不宜調整sday.而增加spre可以明顯地增加混凝土收縮徐變的自由發展時間，能直接減少需要計算的收縮徐變數量，對施工期長度的影響也不大，因此，在保證施工安全的前提下，適當增加spre是減少收縮徐變效應的較好措施.

2.2鋼柱與筒體的豎向變形差

圖2和圖3分別給出的是工況2和工況3下模型在標準狀態，sday=3 d，spre=3 s以及spre=9 s四種時間參數條件下（圖例分別為standard，sday3，spre3和spre9）的各樓層柱筒累積豎向變形差.工況3與工況2相比，需要計算的混凝土收縮徐變更多，柱筒豎向變形差進一步減小.各圖中時間參數spre的不同取值帶來的豎向變形差的差異比較明顯.增加spre能減少混凝土收縮徐變的影響，使柱筒豎向變形差較大.若要按文獻＼[12＼]提供的方法對結構進行豎向變形差補償，建議先進行施工方案規劃，根據施工方案計算出結構的豎向變形差結果后，再進行補償設計和驗算.

2.3鋼柱軸力

時間參數spre不僅影響需要計算的混凝土收縮徐變的數量，還是確定鋼與混凝土兩大部分何時逐步形成整體結構并共同受力的決定因素.即使不考慮混凝土的收縮徐變，減小spre也會使鋼框架提前參與整體結構的豎向荷載分配，從而增加鋼柱的軸壓力值.在工況1下，以鋼柱C3在標準狀態下（此時spre=6 s）的軸力值為基準值，將柱C3在spre=3 s和spre=9 s條件下的軸力值與基準值之比值繪制于圖4.當spre=3 s時，比值介于1.0～1.02之間；當spre=9 s時，比值介于0.98～1.0之間.

圖5和圖6給出的是以工況1各時間參數下各層柱C3的軸力值為基準值，工況2和工況3對應相同的時間參數下各層柱C3的軸力值與基準值的比值.圖5和圖6表明，通常在spre=3 s條件下鋼柱軸力出現最大增幅，在工況2下，30層模型鋼柱軸力增加比例最大可達6.4%，60層模型鋼柱軸力增加比例最大可達13.5%；在工況3下，以上數字則分別為13.4%和19.2%.若要減小混凝土收縮徐變引起的鋼柱軸力增加，則應該增大參數spre，例如當spre=9 s時，工況3下30層和60層模型的鋼柱軸力最大增加比例分別減小為11.2%和17.2%.

柱C3軸力比

3結論

時間是混凝土收縮和徐變開展的重要控制參數，包含時間參數的施工方案確定結構各部分的建設順序以及形成結構共同受力的時間，從而影響到混凝土收縮徐變對結構的作用程度.本文建立高層鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合體系計算模型，用考慮時間因子的有限元方法對其豎向變形差及構件內力進行分析，得出了以下結論：

1）混凝土收縮徐變對高層鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合體系豎向變形差以及各構件內力的影響非常顯著，主體結構施工完畢后混凝土收縮徐變的進一步開展及其在結構中產生的后續效應不可忽略.通常，混凝土的收縮徐變可以減小柱筒豎向變形差，使鋼柱軸力增加（增加幅度可達20%）.

2）施工方案中的兩個時間參數，即結構每層施工的天數sday和結構混凝土部分相對于鋼結構部分提前施工的層數spre，可以控制結構計算中需要考慮的混凝土收縮徐變的數量和參與作用的時間，從而影響混凝土收縮徐變對結構產生的效應.適當增大spre是減小混凝土收縮徐變效應的較好方法.若要對結構進行豎向變形差補償，建議先確定施工方案中的相關時間參數，再計算結構的豎向變形差，最后進行補償設計和驗算.

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