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1、第37 卷 第 5期建? 筑? 结? 构2007年 5 月超高层结构竖向变形及差异问题分析与处理周建龙 ? 闫 ? 锋 ( 华东建筑设计研究院有限公司 ? 上海 200002)提要 ? 依据欧洲规范 EC2 关于混凝土弹性模量变化、 徐变和收缩的规定, 考虑施工顺序加载、 混凝土徐变收 缩、 竖向构件压应力差异、 施工过程中构件长度的调整等因素, 结合屋顶高 381m 的南京紫峰大厦超高层结构,分析计算了超高层结构中组合柱与芯筒剪力墙的竖向变形及差异。结果表明, 结构封顶后半年时, 结构中部 的型钢混凝土组合柱会产生最大80mm 左右的竖向变形, 芯筒剪力墙会产生最大 70mm 左右的竖向变形
2、; 组合 柱与芯筒墙的最大竖向变形差可达 12mm 左右, 发生在结构中部偏上。合理安排施工顺序可以使得竖向构件变形差在伸臂桁架中产生的内力较小。 关键词 ? 超高层结构 ? 混凝土? 弹性模量? 变化 ? 徐变 ? 收缩? 竖向变形? 差异Analysis and Treatment of Vertical Deformation Difference of SuperHigh -rise Building? Zhou Jianlong, Yan Feng(East ChinaArchitectural Design elasticmodulus; concrete; creep; shri
3、nkage; vertical deformation difference0 ?前言二十世纪 70 年代以后, 高层建筑的竖向变形差问 题逐渐引起人们的注意。美国的 Russell H G 等人对两幢钢筋混凝土高层建筑竖向变形进行了跟踪测试, 其中高 197m 的 Lake Point Tower 经过 3 年后柱的最大轴向变形超过了 200mm; 高 262m 的 Water Tower Place 经过五年后柱与墙的竖向变形差超过 23mm, 虽然该建筑 在层13 14 设有刚性转换层, 层 32 为刚度很大的设备层, 但竖向构件间的轴向变形差异依然很明显1, 2。现行的?高层建筑混凝土
4、结构技术规程?( JGJ3? 2002) 要求对超高层结构考虑柱、 墙竖向变形及差异问题, 但是 对于如何考虑影响竖向变形差的各种因素没有明确规定3。文 4 7 从不同角度研究了钢筋混凝土构件由于混凝土徐变、 收缩、 温度作用和变荷载作用施工过程等对高层结构竖向变形的影响给出了高层结构竖向变 形计算的相关公式和算例。就工程实践来讲,以下问题必须考虑: 1) 施工过程中,正在施工的楼层标高会调整到设计标高, 但是施工其上楼层时已经施工的楼层会因为弹性压缩、 徐变、 收缩产生竖向变形; 2) 混凝土的弹性模量、 徐变、 收缩和水泥材料类型、 环境条件、 施工进度、 养护条件、 施工顺 序等因素有关
5、, 并且随时间不断发生变化; 3) 超高层结构的结构布置与荷载分布会随高度变化而发生改变。国内已有的研究对于上述问题没有全部考虑, 与工程实际尚有一定距离。结合南京紫峰大厦工程, 考虑施 工顺序加载、 混凝土收缩徐变( 包括龄期影响) 、 竖向构件压应力差异、 施工过程中构件长度的调整等因素, 分析计算超高层结构中不同竖向构件的竖向变形和差异, 以及竖向变形差对结构构件内力的影响。1 ?超高层结构概况 南京紫峰大厦是一幢钢筋混凝土核心筒 -型钢混凝土组合柱 -钢梁并且设置三道伸臂桁架的超高层结构, 共 70 层( 不含夹层) , 屋顶高度 381m。其主要抗侧力体系是内部巨型核心筒和外围型钢混
6、凝土组合柱, 在层 10, 35 和 60 三个设备层设置高 8?4m 的外伸臂钢桁架把核心筒和组合柱连接在一起, 另外与外伸臂桁架同一楼层的外围组合柱也通过设置斜撑构成环带桁架。其典型楼层结构平面和外伸臂桁架与带状桁架体100系见图 1, 主楼结构抗侧力体系见图 2。紫峰大厦的钢筋混凝土核心筒剪力墙厚度为 400 1 500mm, 从下到 上逐步减小, 混凝土强度等级由C60变化到 C50; 型钢混凝土组合柱的直径为 9001 750mm, 从下到上逐渐减小, 混凝土强度等级由 C70变化到 C50, 型钢含钢率在 3% 10%范围内。紫峰大厦由低层到高层分别用作商场、 办公、 酒店, 荷载
7、随用途而变化。图 1? 典型楼层结构轴测图?图 2? 主楼抗侧力体系?2 ?计算原理和施工情况依据 EC2 规范8计算出混凝土随时间变化的弹性模量、 徐变和收缩。在计算中, 使用等效弹性模量考虑混凝土弹性压缩和徐变产生的变形; 使用等效温度降低考虑混凝土收缩产生的变形。为了模拟弹性模量、 徐变、 收缩随时间的发展, 以大约每 6 层为一组, 把整个结构分成 14 个不同的组,假定整个结构以组为单位向上施工; 按照施工进度, 取每组施工时间的中间时刻, 计算出相应的弹性模量、 徐变、 收缩;然后转换为等效弹性模量和等效温度降低。就整个结构来讲, 随施工的不断进行, 其中组的弹性模量、 徐变和收缩
8、也不断变化, 并且结构与荷载也是逐个组向上施加, 因此, 按照施工顺序建立 14 个不同施工阶段的结构模型; 这样, 同一个组在不同施工阶段的模型中有不同的弹性模量、 徐变和收缩值, 同时也实现了按照施工顺序加载计算结构的竖向变形与差值以及由此引起的内力。不同竖向构件的轴向压应力差异在结构模型中被自然考虑。由于地基不均匀沉降问题的复杂性, 以及紫峰大厦的地质条件较好, 故暂且不考虑地基不均匀沉降对竖向变形差的影响。这是偏于安全的做法, 因为核心筒的轴向压应力较小, 其轴向压缩较小造成竖向变形小于周边柱的, 但是由于其自重较大, 地基沉降量会较大, 从而减小剪力墙和柱的竖向变形差。因为主体结构外
9、包玻璃幕墙, 芯筒剪力墙和周边组合柱的温度差异不大, 所以不考虑温度变化对结构竖向变形差的影响。在计算混凝土随时间变化的弹性模量、 徐变、 收缩时, 需要明确施工中材料、 环境条件、 施工进度、 施工顺序等情况。下面根据实际情况和工程经验对此做出假定: 1) 核心筒剪力墙和型钢混凝土柱中使用的水泥为快硬高强水泥; 2) 紫峰大厦施工环境相对湿度取为80%;3) 型钢混凝土柱的加载时龄期取 7d, 核心筒剪力墙的加载时龄期取为 15d; 施工速度取 5d 一层; 4)核心筒领先周边组合柱 6 层施工; 5) 施工时恒载、 附加恒载一起加上, 忽略施工活载, 活载在结构封顶半年后一次性加上; 6)
10、 伸臂桁架的施工安排是首次施工到伸臂桁架时先临时固定, 待施工到上一伸臂桁架层时再把下一伸臂桁架层中的伸臂桁架终固。3 ?芯筒剪力墙与组合柱间的竖向变形值及差异按照前述的计算原理和施工情况, 计算了紫峰大厦周边组合柱及芯筒剪力墙在结构封顶后半年的竖向变形量值和差异。在周边组合柱和核心筒剪力墙中分别选取了对应的 8 个点, 见图 3, 查看和统计出其竖向变形情况。为了节省篇幅, 选择四组对应的柱墙列出图 3? 典型楼层结构平面布置其计算结果, 见表 1。 表中给出了考虑施工调整和不考虑施工调整两种情况下的柱墙竖向变形及差异。 实际上, 施工中一般是把正在施工的楼层实时调整到设计标高, 从而补偿本
11、层和之前已经产生的竖向变形。但是其后施工的楼层会使已经施工的楼层产生新的竖向变形, 这就是施工调整之后的柱墙竖向变形及差异。如果不考虑施工中对正在施工和之前的楼层竖向变形进行的调整,就得到了不考虑施工调整时的柱墙竖向变形及差异。表 1 显示出, 考虑与不考虑施工调整的计算结果差异很大, 而与工程实践相符合的情况是考虑施工调整后的结果。图 4 直观地反映了是否考虑施工调整对于计算出的竖向变形及差异数值的影响。早期的竖向变形差异研究中就忽视了施工调整, 但是随着研究的深入,101这一问题被正确认识。从表 1 可以看出, 一般情况下, 组合柱与芯筒墙的竖向变形量及变形差的最大值既不是发生在结构顶部,
12、也不是在结构底部, 而是发生在结构中部或者中部偏上。图 4( a) 直观地显示出四组典型组合柱与芯筒墙的竖向变形量及竖向变形差沿高度的分布。? 结构封顶半年组合柱与剪力墙竖向变形及差异表 1楼层层7层18层30层39层45层51层62层67标高(m)37?094?4144?7194?8217?6240?4297?0339?0C1 竖向变形(mm)34?2859?2174?1380?1578?6173?6942?9723?91( 不考虑施工调整)( 39?95)( 77?24)(109?14) (136?04) (149?15) (160?46) (178?40)( 183?34)W1 竖向变形
13、(mm)33?8356?2867?8370?1666?9660?7938?5621?99( 不考虑施工调整)( 38?68)( 72?64)( 99?01)(120?37) (128?06) (134?97) (146?88)( 154?56)柱墙竖向变形差(mm)0?452?936?309?9911?6512?904?411?92( 不考虑施工调整)( 1?27)( 4?60)( 10?13)(15?67)(21?09)(25?49)(31?52)(28?78)C3 竖向变形(mm)35?0557?8369?7573?2371?6266?1539?7522?79( 不考虑施工调整)( 41?
14、15)( 78?64)(108?93) (133?74) (146?79) (158?33) (177?04)( 182?90)W3 竖向变形(mm)33?2854?7265?4467?4064?3558?4937?2221?15( 不考虑施工调整)( 38?27)( 71?38)( 97?06)(118?01) (125?69) (132?53) (144?30)( 151?13)柱墙竖向变形差(mm)1?773?114?315?837?277?662?531?64( 不考虑施工调整)( 2?88)( 7?26)( 11?87)(15?73)(21?10)(25?80)(32?74)(31?
15、77)C4 竖向变形(mm)31?9654?8063?5462?5159?1450?5220?41?( 不考虑施工调整)( 39?09)( 75?96)(104?54) (127?94) (140?00) (149?61) (160?72)?W4 竖向变形(mm)30?0247?8555?3056?5953?3848?4329?72?( 不考虑施工调整)( 35?63)( 65?64)( 88?69)(108?50) (116?12) (122?57) (133?29)?柱墙竖向变形差(mm)1?946?958?245?925?762?09- 9?31?( 不考虑施工调整)( 3?46)( 1
16、0?32)( 15?85)(19?44)(23?88)(27?04)(27?43)?需要说明的是, 柱墙竖向变形及差异受到施工顺序加载、 混凝土收缩徐变( 包括龄期影响) 、 竖向构件压应力差异、 施工过程中构件长度的调整等因素的影响,因而实际工程中结构布置的变化、 使用功能及荷载的不同等因素都会影响到计算结果, 所以不同组的柱墙竖向变形及差异表现出有所不同的特点。例如柱 C4在层 63 就已收掉, 而墙 W4 则一直延伸到层 70, 所以在结构顶部出现了芯筒墙的竖向变形量大于组合柱的结果。为了考察结构的竖向变形及差异随时间的发展情况,按照前述的计算原理, 计算结构封顶后三年的组合柱与芯筒墙的竖向变形及差异,见表 2。表 1 和表 2 的? 结构封顶三年组合柱与剪力墙竖向变形及差异表 2楼层层7层18层30层39层45层51层62层67标高(m)37?094?4144?7194?8217?6240?4297?0339?0C1 竖向变形(mm)34?7361?4679?2488?6588?5984?6051?3529?17( 不考虑施工调整)( 40
