陳梅桂

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西西安 710021)

1 研究背景

施工期的混凝土結(jié)構(gòu)幾何形狀、材料物理力學(xué)特性以及施工荷載等各個(gè)方面都隨時(shí)間而變化?；炷两Y(jié)構(gòu)是分時(shí)分段逐步澆筑，施工過(guò)程中需要模板和支架，建造中的暫態(tài)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和約束條件隨時(shí)間發(fā)生變化，形成一個(gè)力學(xué)傳遞路徑不斷變化的時(shí)變力學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)［1］。收縮和徐變對(duì)于施工期的多層和高層混凝土結(jié)構(gòu)荷載傳遞和結(jié)構(gòu)變形是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，羅文斌等［2］以構(gòu)件在變荷載作用下的依時(shí)變形積分方程為基礎(chǔ)，研究組合結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件軸向縮短引起豎向變形差異。本文依據(jù)逐層疊加法［3］，將混凝土收縮和徐變效應(yīng)等效為構(gòu)件節(jié)點(diǎn)力對(duì)混凝土框架柱豎向變形進(jìn)行分析研究。

2 施工期混凝土結(jié)構(gòu)特征

施工期混凝土結(jié)構(gòu)特征有以下幾點(diǎn):

1)暫態(tài)過(guò)程中幾何形狀和約束條件;

2)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度及剛度隨時(shí)間變化;

3)混凝土收縮和徐變效應(yīng);

4)臨時(shí)結(jié)構(gòu)與時(shí)變結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)自重和施工荷載;

5)不同施工階段的施工荷載。

3 分析方法

混凝土結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程的計(jì)算方法應(yīng)當(dāng)完全依照實(shí)際施工過(guò)程，豎向荷載隨施工過(guò)程逐層施加到結(jié)構(gòu)上，趙西安［4］提出分別計(jì)算各層自重在整個(gè)結(jié)構(gòu)模型中產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，再通過(guò)疊加法得到各層的內(nèi)力和變形。本文采用的計(jì)算方法是豎向荷載應(yīng)隨施工過(guò)程分層施加于已建成的結(jié)構(gòu)上，混凝土收縮和徐變對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響等效為等效徐變外力Fcr和等效收縮外力Fsh，最后再疊加在一起，得到總的變形和內(nèi)力。計(jì)算步驟如下:

1)根據(jù)第i施工階段建成時(shí)間確定各個(gè)構(gòu)件的彈性模量取值，確定單元?jiǎng)偠染仃?

2)由構(gòu)件剛度矩陣和臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)剛度矩陣計(jì)算總剛度矩陣;

3)由已建成的構(gòu)件在第i施工階段的應(yīng)力史及建成時(shí)間，確定節(jié)點(diǎn)的等效徐變外力Fcr和等效收縮外力Fsh;

4)計(jì)算第i施工階段的變形:

5)計(jì)算第i施工階段各個(gè)單元的內(nèi)力:

6)由單元內(nèi)力確定第i施工階段各個(gè)單元層的應(yīng)變和應(yīng)力，并且加以記錄，建立單元應(yīng)力史;

7)進(jìn)入下一施工階段;

8)如果結(jié)構(gòu)施工過(guò)程完畢，則計(jì)算結(jié)構(gòu)的最終變形和應(yīng)力:

其中，Ki為第i施工階段中結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣;ki為第i施工階段中不完整結(jié)構(gòu)的桿單元?jiǎng)偠染仃?Ui為第i施工階段中不完整結(jié)構(gòu)的變力向量;Pi為第i施工階段中結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)力向量;Ai為第i施工階段中不完整結(jié)構(gòu)的幾何矩陣;Ni為第i施工階段時(shí)不完整結(jié)構(gòu)中桿件的內(nèi)力向量。

4 計(jì)算簡(jiǎn)例

混凝土施工過(guò)程分析模型為一棟12層三跨剪力墻結(jié)構(gòu)，層高3 m，跨徑6 m，如圖1所示，混凝土框架梁和柱的截面尺寸分別為300 mm×600 mm和450 mm×500 mm，混凝土框架梁和柱的配筋率分別為3%和5%;混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為C45，鋼筋為HRB400;混凝土名義徐變系數(shù)和名義收縮應(yīng)變的取值分別為2．5和3×10－4。施工過(guò)程中，混凝土結(jié)構(gòu)每層自重27．5 kN/m，施工層臨時(shí)模板支護(hù)自重10 kN/m，施工活荷載為6 kN/m。

4．1 不同分析方法計(jì)算結(jié)果比較

為了了解施工過(guò)程及混凝土收縮徐變效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響，分別建立四種模型:

1)考慮工序，不考慮收縮徐變效應(yīng);

2)考慮工序，考慮收縮徐變效應(yīng);

3)不考慮工序，不考慮收縮徐變效應(yīng);

4)不考慮工序，考慮收縮徐變效應(yīng)。

其中計(jì)算模型1和2的施工工況:每層工期7 d，三層支模體系，21 d拆模，施工總工期為84 d?；炷羶?nèi)外柱累積豎向變形分別如圖2，圖3所示。

圖2 框架外柱豎向變形

圖1 結(jié)構(gòu)模型示意圖（單位：m）

圖3 不同分析方法框架內(nèi)柱豎向變形

從圖2和圖3可以看出，不同的施工過(guò)程對(duì)混凝土框架柱的累積豎向變形有影響，對(duì)頂部的影響比底部的影響要大?？紤]施工過(guò)程的影響，結(jié)構(gòu)框架柱的最大變形發(fā)生在中部偏上。不考慮施工過(guò)程的影響，最大變形隨樓層的增加而增加。混凝土的收縮徐變效應(yīng)對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)的累積變形的影響是內(nèi)柱比外柱的要大，考慮徐變效應(yīng)豎向最大位移所發(fā)生的樓層比不考慮徐變效應(yīng)的要高。

4．2 不同施工周期計(jì)算結(jié)果比較

為了了解施工周期對(duì)混凝土框架柱的影響，分別建立四種施工工況的計(jì)算模型，如表1所示。

表1 不同施工周期下施工工況 d

分析計(jì)算后，混凝土框架內(nèi)外柱的累積豎向變形如圖4，圖5所示。由此可知隨著施工周期天數(shù)的減少混凝土框架柱的累積豎向變形變大，最大累積豎向變形所處的層數(shù)增加。

圖4 不同施工周期框架外柱豎向變形

圖5 不同施工周期框架內(nèi)柱豎向變形

從圖4和圖5可以看出，隨著施工周期時(shí)間的減少，框架柱的累積豎向位移變大，最大位移所發(fā)生的層數(shù)也相應(yīng)增加;施工周期為5 d和7 d時(shí)，結(jié)構(gòu)底部豎向變形變化不大。

5 結(jié)語(yǔ)

1)施工過(guò)程對(duì)混凝土框架柱的豎向變形有影響，框架柱的豎向變形呈“兩頭小，中間大”的分布形式，最大累積變形發(fā)生在結(jié)構(gòu)中上部。

2)混凝土的收縮徐變效應(yīng)對(duì)混凝土框架柱的豎向變形有影響，對(duì)混凝土內(nèi)柱比外柱影響大。

3)不同施工周期對(duì)混凝土框架柱的豎向變形影響為周期越短影響越大。28 d的施工周期的累積豎向變形的分布接近于不考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)的變形分布。

［1］ 田明革，易建偉．施工期混凝土?xí)r間效應(yīng)數(shù)值分析［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，5(5):28-32．

［2］ 羅文斌，張保?。邔咏ㄖ+RC混合結(jié)構(gòu)豎向變形差的工程對(duì)策［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，21(6):68-73．

［3］ 田明革，易建偉．施工期混凝土結(jié)構(gòu)逐層疊加分析方法［J］．中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(3):98-104．

［4］ 趙西安．鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992:89-132．