王東東

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

高層建筑在結(jié)構(gòu)體系、混凝土收縮變形、徐變變形方面與普通建筑存在一定的差異性[1]。長期受到荷載作用影響，高層建筑結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)不同程度的豎向變形情況，降低了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與牢固性，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)與隱患[2]。施工荷載作為驗(yàn)算建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件安全度的一種臨時(shí)荷載，對(duì)提高高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性至關(guān)重要[3]。因此，本文以鄭州市星聯(lián)樾棠居高層住宅建筑為例，提出了施工荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形的研究。

1 施工荷載作用下高層建筑結(jié)構(gòu)豎 向變形研究

1.1 工程概況

選取鄭州市星聯(lián)樾棠居高層住宅建筑1#樓為本次研究對(duì)象，1#樓共30層，高度約為109.5m，整體建筑采用對(duì)稱的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式。建筑結(jié)構(gòu)采用C70高強(qiáng)自密實(shí)混凝土，混凝土的密度為2450kg/m3，建筑鋼材密度為7850kg/m3，各個(gè)建筑構(gòu)件性能均符合相關(guān)要求。星聯(lián)樾棠居高層住宅建筑1#樓整體工程規(guī)模較大，施工難度與施工要求均較高。在工程施工期間，高層建筑承受的施工荷載主要包括兩種：建筑結(jié)構(gòu)本身的自重以及其他施工活荷載。在掌握1#樓建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)信息后，開展施工荷載對(duì)其建筑結(jié)構(gòu)豎向變形的影響分析，具體如下文所示。

1.2 試件設(shè)計(jì)與分組

本次試驗(yàn)中，所需使用的試件以高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件為主，為了更好地開展其豎向變形的研究。根據(jù)星聯(lián)樾棠居高層住宅建筑1#樓的實(shí)際建設(shè)情況與特征，選取混凝土試件設(shè)計(jì)所需的材料，設(shè)計(jì)3種結(jié)構(gòu)與性能不同的混凝土試件。選取普通混凝土與高強(qiáng)自密實(shí)混凝土，進(jìn)行澆注處理，在澆注過程中，摻入1.2%的聚羧酸高效減水劑，優(yōu)化混凝土試件的配合比，控制混凝土容重變化[4]。混凝土試件澆注結(jié)束后，養(yǎng)護(hù)24h后脫模[5]。根據(jù)S高層建筑結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)普通混凝土與高強(qiáng)自密實(shí)混凝土試件的有效尺寸，分別為100mm×100mm×400mm、150mm×75mm×450mm、300mm×60mm×900mm。對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)號(hào)處理，分別標(biāo)號(hào)為普通試件1～3，C70試件4～6。在不同齡期下，分別測(cè)量6種混凝土試件的立方體抗壓強(qiáng)度，如表1所示。

表1 不同齡期下混凝土試件抗壓強(qiáng)度

如表1所示，為本文設(shè)計(jì)的星聯(lián)樾棠居高層住宅建筑1#樓建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件立方體在不同齡期的抗壓強(qiáng)度。通過高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件設(shè)計(jì)與分組標(biāo)號(hào)，為后續(xù)建筑結(jié)構(gòu)豎向變形影響研究提供基礎(chǔ)保障。

1.3 試驗(yàn)方法及流程

在混凝土試件中安裝逐級(jí)加載裝置，使試件處于施工荷載反力架中心線上，保證試件在外力作用下，軸心受壓穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，采用有限元軟件模擬高層建筑施工荷載，通過分層加載的施工方法，將豎向荷載施加到高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件上，對(duì)試件進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算混凝土試件的彈性變形，公式為：

式中： Δa(m)表示高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件豎向荷載施加后的彈性變形；Px表示混凝土試件的軸向壓力；Ea(m)表示混凝土試件的綜合彈性模量；R表示混凝土試件的橫截面積；l表示混凝土試件的尺寸。根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土試件彈性變形計(jì)算結(jié)果，獲取各個(gè)樓層的軸力信息[6]。在此基礎(chǔ)上，通過找平補(bǔ)償?shù)姆椒?，獲取建筑結(jié)構(gòu)累積彈性變形，控制高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土澆筑的標(biāo)高。采用統(tǒng)計(jì)分析的方法，統(tǒng)計(jì)高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的荷載，模擬施工荷載值[7]。打磨處理上述設(shè)計(jì)的混凝土試件表面，使其表面保持平整光滑，使用AB膠，在各個(gè)混凝土試件表面粘貼振弦式應(yīng)變計(jì)，測(cè)定試件在不同施工荷載作用下的實(shí)時(shí)應(yīng)變狀態(tài)與應(yīng)力變化累計(jì)值[8]。本文使用的振弦式應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 振弦式應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，振弦式應(yīng)變計(jì)由安裝塊與鋼弦組成，將其粘貼在混凝土試件表面。當(dāng)混凝土試件出現(xiàn)變形時(shí)，應(yīng)變計(jì)內(nèi)部的鋼弦會(huì)自動(dòng)發(fā)生應(yīng)力變化，產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)頻率，反映混凝土試件應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度的變化。通過振弦式應(yīng)變計(jì)的電纜，自動(dòng)上傳應(yīng)力變化振動(dòng)頻率信號(hào)，上傳至讀數(shù)裝置，獲取并記錄試件的應(yīng)變值。試件應(yīng)變值記錄結(jié)束后，綜合考慮混凝土試件收縮變形對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)豎向變形的影響，在施工荷載作用下，計(jì)算試件收縮變形值，計(jì)算表達(dá)式為：

式中：t表示混凝土試件齡期；0t表示混凝土試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束齡期；α表示混凝土試件收縮變形系數(shù)；f表示試件尺寸修正系數(shù)；φ表示施工荷載修正系數(shù)耦合值。通過計(jì)算，獲取混凝土試件的收縮變形值，得出試件的豎向變形狀況，在此基礎(chǔ)上，設(shè)定高層建筑結(jié)構(gòu)第i層的荷載為iN，計(jì)算高層建筑樓層荷載總和，公式為：

式中：m表示高層建筑的總層數(shù)。在計(jì)算高層建筑樓層荷載總和過程中，需要注意建筑結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部鋼筋與型鋼截面面積占整體建筑構(gòu)件截面積的比例，綜合考慮二者對(duì)樓層荷載總和的影響，表達(dá)式為：

式中：Ea表示高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土的彈性模量；Qa表示混凝土在建筑構(gòu)件截面中的面積；Eb表示高層建筑結(jié)構(gòu)鋼筋的彈性模量；Qb表示鋼筋在建筑構(gòu)件截面中的面積；Er表示高層建筑結(jié)構(gòu)型鋼的彈性模量；Qr表示型鋼在建筑構(gòu)件截面中的面積。選取有活荷載模型，分析高層建筑各個(gè)樓層中施工荷載的分布情況，在建筑結(jié)構(gòu)收縮徐變作用下，實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄施工荷載作用下，建筑結(jié)構(gòu)核心筒豎向位移的變化，進(jìn)而反映高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向變形情況。

2 影響結(jié)果分析

在上述試驗(yàn)方法及流程設(shè)計(jì)完畢后，接下來，利用MATLAB分析軟件與有限元分析軟件，共同對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)豎向變形影響結(jié)果作出分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本次高層建筑豎向變形影響研究的目標(biāo)。

在高層建筑施工過程中，施工荷載隨著建筑結(jié)構(gòu)的變化而發(fā)生改變。為了更加直觀地獲取施工荷載對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)豎向變形的影響，利用有限元分析軟件，模擬建筑各層墻體的施工狀況。通過逐級(jí)加載的方式，對(duì)試件施加施工荷載，每隔10d加載一次，直至施工荷載總量達(dá)到100kN。在此期間，實(shí)時(shí)記錄混凝土試件應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)變化，通過試件的收縮變形，反映其豎向變形狀況。綜合考慮普通混凝土試件與C70高強(qiáng)自密實(shí)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度變化，控制逐級(jí)加載的變化范圍，使其符合疊加原理，避免試件應(yīng)力超出其自身抗壓強(qiáng)度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。設(shè)置施工荷載分別為10kN與20kN，選取普通混凝土試件1與C70混凝土試件4，利用MATLAB分析軟件，測(cè)定兩種試件在不同施工荷載作用下的時(shí)變變形曲線，反映豎向變形情況，分別如圖2、圖3所示。

圖2 逐級(jí)荷載為10kN的試件時(shí)變變形曲線

圖3 逐級(jí)荷載為20kN的試件時(shí)變變形曲線

根據(jù)圖2、圖3的試件時(shí)變變形曲線可知，在逐級(jí)荷載為10kN時(shí)，兩種混凝土試件的時(shí)變變形曲線接近，均呈現(xiàn)大幅度上升趨勢(shì)；在逐級(jí)荷載增加到20kN時(shí)，兩種混凝土試件的時(shí)變變形曲線與時(shí)變變形值上升速度存在一定的差異，可知不同逐級(jí)荷載對(duì)混凝土試件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不同。在此基礎(chǔ)上，利用混凝土試件，模擬高層建筑樓層結(jié)構(gòu)，測(cè)定兩種逐級(jí)荷載作用下，高層建筑各個(gè)樓層結(jié)構(gòu)的豎向位移變形值與抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。

表2 不同荷載作用下高層建筑結(jié)構(gòu)豎向變形對(duì)比

根據(jù)表2的對(duì)比結(jié)果可知，隨著樓層的升高，建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形逐漸減小，抗壓強(qiáng)度逐漸上升。在逐級(jí)荷載從10kN增加到20kN后，同樓層建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形也隨之增加，抗壓強(qiáng)度下降。由此可見，施工荷載與高層建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形呈現(xiàn)正比例變化，逐級(jí)荷載增加，建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形值也隨之增加，混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度下降。

3 結(jié)語

通過上文研究分析，可以得出以下幾方面結(jié)論：

（1）根據(jù)圖2、圖3可知，當(dāng)逐級(jí)荷載從10kN增加至20kN時(shí)，普通混凝土試件與高強(qiáng)自密實(shí)混凝土試件的時(shí)變變形曲線與變形值存在一定差異，表明不同的逐級(jí)荷載對(duì)高層建筑混凝土試件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不同。

（2）根據(jù)表2高層建筑不同樓層結(jié)構(gòu)豎向位移變形與抗壓強(qiáng)度結(jié)果可知，當(dāng)逐級(jí)荷載增加時(shí)，同樓層建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形值也隨之增加，混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度下降，由此可見，施工荷載與高層建筑結(jié)構(gòu)豎向位移變形呈現(xiàn)正比例變化關(guān)系。