莊建新（濟(jì)南熱電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

高層建筑結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代城市建筑的重要組成部分，其設(shè)計(jì)與施工的精度與穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，在實(shí)際施工過(guò)程中，混凝土的收縮徐變現(xiàn)象對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性產(chǎn)生了顯著影響[1]。收縮徐變是混凝土的一種固有特性，主要由于混凝土內(nèi)部水分的蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致體積變化，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)的變形。這種變形在長(zhǎng)期荷載的作用下會(huì)持續(xù)累積，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的承載能力、抗震性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽視的影響[2-3]。

基于此，研究引入混凝土收縮徐變數(shù)學(xué)模型，結(jié)合數(shù)值模擬方法，模擬實(shí)際施工條件，建立高層建筑結(jié)構(gòu)的精細(xì)化模型，分析結(jié)構(gòu)施工完成后、使用20年和使用50年的位移變化規(guī)律。研究成果不僅有助于深化對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變形的理解，為實(shí)際工程提供理論支持，還有助于推動(dòng)建筑行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高高層建筑的安全性和穩(wěn)定性[4]。研究成果可用于減小施工過(guò)程收縮徐變對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的影響，提高建筑的長(zhǎng)期性能和使用壽命，以期為高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

山東省濟(jì)南市某高層建筑為酒店式公寓，建筑高度為120m，建筑平面大致呈長(zhǎng)方形，長(zhǎng)度為27.2m，寬度為55m，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層示意圖如圖1所示。公寓整體采用混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，塔樓上部共有35層，包括局部出屋面2 層，設(shè)地下停車場(chǎng)2 層，土柱尺寸主要為450mm×450mm、350mm×350mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50；混凝土樓板厚度為120mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；混凝土剪力墻厚度為350mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60；混凝土主梁600mm×500mm，次梁為300mm×300mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。由于建筑物高度和豎向荷載作用較大，結(jié)構(gòu)受到收縮徐變的影響將導(dǎo)致產(chǎn)生內(nèi)力重分布，高層建筑的收縮徐變值在長(zhǎng)期服役狀態(tài)下十分可觀，往往可以達(dá)到彈性變形的2～3倍甚至更多，這對(duì)于結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性極為不利，極易發(fā)生混凝土的開(kāi)裂和耐久性的下降。因此，考慮高層建筑混凝土長(zhǎng)期收縮徐變效應(yīng)，確保建筑物的安全和使用性能。

圖1 高層酒店式公寓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面示意圖

2 施工過(guò)程高層混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變計(jì)算理論模型

混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變是與時(shí)間有關(guān)的漸進(jìn)式演變過(guò)程，與混凝土自身的材料屬性、含水率、外荷載、溫度等各種因素有關(guān)，在模擬計(jì)算時(shí)應(yīng)該考慮收縮應(yīng)變和徐變應(yīng)變的相互耦合。預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期荷載作用下的徐變應(yīng)變，可以在混凝土結(jié)構(gòu)彈性應(yīng)變的基礎(chǔ)上疊加時(shí)間因數(shù)，其計(jì)算方法如公式（1）和公式（2）所示[5-7]。

式中εcr為混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期荷載作用下的徐變應(yīng)變；Φ(t,t0)為混凝土隨時(shí)間變化的徐變系數(shù)；fcm為28d 齡期混凝土平均抗壓強(qiáng)度，MPa；fcm0為3d 齡期混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；t為時(shí)間，d；t0為混凝土加載初始時(shí)間，d；RH為環(huán)境相對(duì)濕度，%；RH0為加載初期環(huán)境相對(duì)濕度，%；h為構(gòu)件的名義尺寸，其計(jì)算方法為混凝土的截面積除以0.5 倍的大氣接觸周邊長(zhǎng)度，mm；h0為構(gòu)件在加載初期的名義尺寸，mm。

與徐變應(yīng)變類似，預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期荷載作用下的收縮應(yīng)變?yōu)闀r(shí)間相關(guān)的收縮變化發(fā)展系數(shù)與混凝土名義收縮系數(shù)的乘積，其計(jì)算方法如公式（3）和公式（4）所示。

式中εcr(t,ts)為混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期荷載作用下的收縮應(yīng)變；ts為考慮收縮開(kāi)始時(shí)混凝土齡期，d：εcs0為混凝土名義收縮系數(shù)；βs為時(shí)間相關(guān)的收縮變化發(fā)展系數(shù)。

3 考慮施工過(guò)程的高層混凝土結(jié)構(gòu)收縮徐變數(shù)值計(jì)算

3.1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)收縮徐變數(shù)值計(jì)算模型建立

高層建筑的數(shù)值計(jì)算采用SAP2000有限元分析軟件進(jìn)行建模求解，為考慮施工過(guò)程的影響，在建立計(jì)算模型時(shí)對(duì)各個(gè)材料的屬性進(jìn)行了時(shí)間屬性設(shè)置，以便于計(jì)算時(shí)從施工階段即積累了收縮徐變應(yīng)變值。在計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)的自重荷載隨著高度增加逐層生成和施加，施工荷載則確定為1.5kN/m2，隨后對(duì)高層結(jié)構(gòu)的變形分為兩部分計(jì)算，其中一部分為彈性變形計(jì)算，計(jì)算完成后對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形重新分布，結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣也重新調(diào)整，再進(jìn)行徐變收縮效應(yīng)分析，高層建筑的最終變形為彈性變形與收縮徐變變形的疊加[8-9]。值得注意的是，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的計(jì)算復(fù)雜程度，提高計(jì)算效率，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期徐變收縮效應(yīng)不考慮泊松徐變變形，也不考慮混凝土鋼筋對(duì)長(zhǎng)期收縮徐變約束的有利影響。計(jì)算中考慮施工過(guò)程時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)初始加載時(shí)間為結(jié)構(gòu)的拆模時(shí)間，混凝土收縮開(kāi)始時(shí)間為澆筑第3d，施工速率為平均10d完成1層，工期約13個(gè)月。圖2為計(jì)算時(shí)采用的混凝土結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)變曲線和徐變系數(shù)曲線，隨著時(shí)間的增加，徐變系數(shù)呈現(xiàn)近雙曲線變化趨勢(shì)，最大徐變系數(shù)達(dá)到1.36，收縮系數(shù)也呈近雙曲線變化趨勢(shì)，最大收縮系數(shù)達(dá)到145。

圖2 混凝土結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)變曲線和徐變系數(shù)曲線

3.2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)收縮徐變數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

圖3為施工結(jié)束時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)第32 層變形分布圖，圖中負(fù)值表示位移向下。從圖3中可以看出，施工階段由于收縮徐變引起的高層建筑結(jié)構(gòu)變形在平面上分布不均，其中，建筑平面兩端尖角位置的位移發(fā)生量較大，最大位移達(dá)到-75mm，結(jié)合圖1，可知結(jié)構(gòu)a 節(jié)點(diǎn)和b 節(jié)點(diǎn)之間的豎向變形差最大，因此，對(duì)這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形展開(kāi)具體分析。

圖3 施工結(jié)束時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)第32層變形分布圖

圖4為建筑物在施工階段后a 節(jié)點(diǎn)、b 節(jié)點(diǎn)的位移以及位移差，位移差的計(jì)算方法為a節(jié)點(diǎn)的位移減b節(jié)點(diǎn)的位移。從圖4中可以看出，隨著樓層高度的增加，a點(diǎn)位移、b點(diǎn)位移的變化趨勢(shì)大致相同，呈現(xiàn)逐步增加，并在30 層以后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；節(jié)點(diǎn)位移差呈現(xiàn)分段式變化趨勢(shì)，在樓層小于15層時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的位移差較小，且數(shù)值基本接近，在樓層16 層～30 層之間時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的位移差隨著樓層高度的增加而增加，在樓層大于31層時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的位移差達(dá)到最大，且數(shù)值基本接近。

圖4 建筑物在施工階段后a節(jié)點(diǎn)、b節(jié)點(diǎn)的位移以及位移差

圖5為建筑物在使用20年后a 節(jié)點(diǎn)、b節(jié)點(diǎn)的位移以及位移差。從圖5中可以看出，隨著高度的增加，a點(diǎn)位移、b 點(diǎn)位移的變化趨勢(shì)大致相同，呈現(xiàn)逐步近線性增加的趨勢(shì)；節(jié)點(diǎn)位移差呈現(xiàn)分段式變化趨勢(shì)，在樓層小于20 層時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的位移差較小，且數(shù)值基本接近，在樓層21層～30層之間時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的位移差隨著樓層高度的增加而增加，在樓層大于31層時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的位移差達(dá)到最大，且數(shù)值基本接近。

圖5 建筑物在使用20年后a節(jié)點(diǎn)、b節(jié)點(diǎn)的位移以及位移差

圖6為建筑物在使用50年后a 節(jié)點(diǎn)、b節(jié)點(diǎn)的位移以及位移差。從圖6中可以看出，隨著高度的增加，a點(diǎn)位移、b 點(diǎn)位移的變化趨勢(shì)大致相同，呈現(xiàn)逐步近線性增加的趨勢(shì)；節(jié)點(diǎn)位移差呈現(xiàn)分段式變化趨勢(shì)，在樓層小于20 層時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的位移差隨著樓層高度的增加而增加，在樓層大于21層時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的位移差達(dá)到最大，且數(shù)值基本接近。

圖6 建筑物在使用50年后a節(jié)點(diǎn)、b節(jié)點(diǎn)的位移以及位移差

對(duì)比圖4、圖5和圖6可知，a點(diǎn)、b點(diǎn)的最大位移均隨著時(shí)間的增加而不斷增加，a 點(diǎn)在施工結(jié)束后、使用20 年后、使用50 年后的最大位移分別為76.48mm、90.14mm 和109.47mm；b 點(diǎn)在施工結(jié)束后、使用20 年后、使用50 年后的最大位移分別為52.84mm、69.35mm和75.09mm。由此表明，時(shí)間因素是影響高層建筑收縮徐變變形的重要因素之一，使用時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的收縮徐變?cè)酱?，?duì)結(jié)構(gòu)的受力和變形越不利。

4 結(jié)語(yǔ)

以山東省濟(jì)南市某酒店式公寓為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值分析的手段，考慮施工過(guò)程的影響，研究結(jié)構(gòu)施工完成后、使用20 年和使用50 年的位移變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）施工階段由于收縮徐變引起的高層建筑結(jié)構(gòu)變形在平面上分布不均，建筑平面兩端尖角位置的位移發(fā)生量較大，最大位移達(dá)到-75mm。

（2）施工階段結(jié)束后，隨著樓層高度的增加，節(jié)點(diǎn)位移的變化趨勢(shì)大致相同，呈現(xiàn)逐步增加，并在30層以后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；節(jié)點(diǎn)位移差呈現(xiàn)分段式變化趨勢(shì)。

（3）結(jié)構(gòu)使用20 年和50 年后，隨著樓層高度的增加，節(jié)點(diǎn)位移的變化趨勢(shì)大致相同，呈現(xiàn)近線性增加的趨勢(shì)；節(jié)點(diǎn)位移差呈現(xiàn)分段式變化趨勢(shì)。

（4）時(shí)間因素是影響高層建筑收縮徐變變形的重要因素之一，結(jié)構(gòu)的最大位移均隨著時(shí)間的增加而不斷增加，結(jié)構(gòu)使用時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的收縮徐變?cè)酱?，?duì)結(jié)構(gòu)的受力和變形越不利。