高層建筑核心筒整體變形控制措施探討

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引言

　　電視廣播塔在建筑造型上突破了傳統(tǒng)意義上的格調(diào),塔身由下至上逐漸變小,中部扭轉(zhuǎn),兩頭大中間小,呈現(xiàn)為扭曲的橢圓體,宛如一座高腳花瓶,于無形中見有形。其建筑結(jié)構(gòu)通常采用筒中筒結(jié)構(gòu),核心筒的彈性變形、收縮和徐變變形之和的數(shù)量級(jí)還是比較明顯的,因此,施工時(shí)要特別注意。

　　一.核心筒易變形因素分析

　　(一)風(fēng)荷載的變形分析

　　隨著高聳建筑的高度越來越高,柔度越來越大,而阻尼越來越小,對(duì)風(fēng)的作用越來越敏感。因此,側(cè)向荷載在總荷載中占有相當(dāng)大的比重。除了地震作用外,主要的側(cè)向荷載是風(fēng)荷載。雖然風(fēng)荷載沒有地震荷載那樣強(qiáng)烈,但是在該地區(qū)風(fēng)的作用是極其的頻繁,風(fēng)荷載是一種重要的設(shè)計(jì)荷載。

　　(二)溫度效應(yīng)的變形分析

　　超高層建筑物跨季節(jié)施工因氣溫變化而引起的溫度效應(yīng)。高層建筑由于工程量大往往施工工期較長,需要跨季節(jié)跨年度施工。因?yàn)椴煌竟?jié)的氣溫有所變化,冬季和夏季的室外溫度有溫差,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度與該構(gòu)件在混凝土澆筑時(shí)的溫度有較大的溫差。于是,構(gòu)件發(fā)生溫差變形,而結(jié)構(gòu)受到基礎(chǔ)和地基的約束,構(gòu)件之間也互相約束,從而產(chǎn)生溫度內(nèi)力的重分布。

　　建成使用后,由于室內(nèi)外溫差而引起的溫度效應(yīng)。主要產(chǎn)生日照溫度荷載和驟然降溫溫度荷載。建筑物的內(nèi)部多布置空調(diào),外露結(jié)構(gòu)長期受到氣溫和日輻射作用,室內(nèi)外的溫差也會(huì)產(chǎn)生建筑物自己的內(nèi)力和變形,混凝土結(jié)構(gòu)甚至出現(xiàn)裂縫。混凝土結(jié)構(gòu)的最大溫差的分布位置與結(jié)構(gòu)方位、表面朝向、工程所處的地理位置有關(guān)。

　　(三)收縮與徐變引起的變形分析

　　超高建筑物的自重大,隨著施工高度的增加,建筑物的下部柱子的軸向變形會(huì)逐漸加大。特別是在考慮混凝土的收縮、徐變因素后,工程竣工時(shí)下部幾層的實(shí)際層高低于設(shè)計(jì)標(biāo)高。徐變和收縮是混凝土在長期荷載作用下的固有特性。由于內(nèi)外筒的材料特性及應(yīng)力水平的差異,將導(dǎo)致混合體系產(chǎn)生顯著的豎向變形差。隨著時(shí)間和環(huán)境的變化,結(jié)構(gòu)體系將發(fā)生顯著的內(nèi)力重分布,同時(shí)也會(huì)給非結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶來不利影響,甚至可能影響設(shè)備的安裝和使用。

　　二.整體變形實(shí)施控制措施

　　(一)結(jié)構(gòu)自重和施工活荷載作用階段下的變形控制

　　一些力學(xué)性能試驗(yàn)研究表明,鋼管混凝土核心混凝土的變形比普通混凝土要小得多。所以結(jié)構(gòu)外筒的變形比混凝土核心筒的變形也小的多。整個(gè)結(jié)構(gòu)在自重和施工活荷載的作用下,內(nèi)外筒之間由于變形的協(xié)調(diào),發(fā)生內(nèi)力重分布,以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的承載能力。

　　在計(jì)算和分析中,考慮建筑物自重、溫度變化、混凝土彈性模量、收縮、徐變隨時(shí)間的變化而對(duì)軸向變形產(chǎn)生影響。

　　建筑物自重的影響。與混凝土收縮和徐變相比,雖然混凝土收縮和徐變所引起的構(gòu)件引起的軸向變形不可忽略,但是結(jié)構(gòu)自重是造成豎向構(gòu)件軸向變形的主要因素。為補(bǔ)償結(jié)構(gòu)自重引起豎向變形,在混凝土結(jié)構(gòu)中配置相應(yīng)的鋼筋,提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

　　核心筒施工的時(shí)間因素對(duì)工程施工有一定的影響,核心筒的施工時(shí)間越長,建筑物在自重作用下的軸向變形越小,但是總的軸向變形會(huì)加大。前者是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加,混凝土的彈性模量和強(qiáng)度也逐漸增長,而后者則是因?yàn)榛炷翗?gòu)件的收縮和徐變隨時(shí)間的增加一直在發(fā)展。

　　由于軸向變形壓縮的影響,核心筒結(jié)構(gòu)的底部層高偏低,到達(dá)上面結(jié)構(gòu)施工時(shí),結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層的層頂標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高不一樣。理論上為了彌補(bǔ)軸向變形,在上面的標(biāo)準(zhǔn)層施工時(shí)加大結(jié)構(gòu)層高高度。但實(shí)際上則應(yīng)該是依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果,計(jì)算出軸向變形,在底部結(jié)構(gòu)施工時(shí),預(yù)先留出富裕層間高度來,最終達(dá)到建筑物的總標(biāo)高高度。

　　(二)溫度效應(yīng)引起的位移變形控制措施

　　在國內(nèi),建筑施工與設(shè)計(jì)工作基本上是分開的,建筑施工企業(yè)基本是按照設(shè)計(jì)圖紙施工,因此減小和控制溫度效應(yīng)的措施應(yīng)當(dāng)主要從設(shè)計(jì)角度考慮。但是我國現(xiàn)有規(guī)范沒有作出相關(guān)的明確規(guī)定,從一些文獻(xiàn)資料的結(jié)果表明,影響高層結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的因素很多。結(jié)構(gòu)體系、溫差、建筑物高度、梁的剛度、柱的剛度都是影響因素。對(duì)此,關(guān)于溫度效應(yīng)的控制措施如下:

　　對(duì)結(jié)構(gòu)采取有效的保溫隔熱措施。在溫度變化劇烈的地方采用一些保溫隔熱材料,減小溫度變化引起的溫度應(yīng)力。轉(zhuǎn)換層也應(yīng)注意保溫、隔熱,避免該層過分通風(fēng),與其上下層間產(chǎn)生較大的溫差引起溫度應(yīng)力。

　　采取構(gòu)造措施,適應(yīng)結(jié)構(gòu)溫度變形和內(nèi)力的措施。如混凝土攪拌過程中,添加少量化學(xué)添加劑,補(bǔ)償混凝土收縮,堵塞毛細(xì)孔。但只靠克服缺陷仍不能完全解決后期溫度變化引起的內(nèi)力,還需采用以下措施:

　　設(shè)置剛性加強(qiáng)層可在一定程度上調(diào)整豎向構(gòu)件間的不均勻變形;盡量合理安排施工工期,縮短工期,可減小施工過程中結(jié)構(gòu)的溫度變形和內(nèi)力。

　　(三)收縮與徐變引起的位移變形控制措施

　　對(duì)于超高結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到混凝土徐變收縮引起的豎向變形差,控制結(jié)構(gòu)豎向變形應(yīng)當(dāng)從設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)三個(gè)方面結(jié)合起來。應(yīng)盡早確定混凝土的配合比及施工方案,方便對(duì)按實(shí)際配合比調(diào)配的混凝土進(jìn)行試驗(yàn),并不斷修正混凝土徐變和收縮變形的估算結(jié)果;同時(shí)在施工過程中,進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)混凝土收縮和徐變的預(yù)測(cè)值不斷進(jìn)行修正,再處理再設(shè)計(jì),形成“設(shè)計(jì)—預(yù)測(cè)—施工—修正—施工”的控制模式。

　　在綜合考慮結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上,建議從下面幾個(gè)方面考慮:

　　提高側(cè)向剛度,減少水平位移。可以通過設(shè)計(jì)加強(qiáng)層承擔(dān)豎向變形產(chǎn)生的內(nèi)力。在結(jié)構(gòu)合適的位置設(shè)置柔性節(jié)點(diǎn)以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的豎向變形差。利用柔性連接來釋放由于混凝土徐變和收縮引起的次應(yīng)力和次彎矩。也可以設(shè)計(jì)特殊的構(gòu)造節(jié)點(diǎn),豎向可以自由伸縮,但可以有效傳遞水平剪力。在測(cè)量定位標(biāo)高時(shí),提前考慮收縮與徐變,依據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整標(biāo)高。以補(bǔ)償內(nèi)外筒的豎向變形差異。在核心筒的周圍與樓板之間設(shè)置后澆帶,從而有效減少內(nèi)外筒之間連接件的次應(yīng)力。分別調(diào)整內(nèi)外筒豎向構(gòu)件的配筋率、面積體積比、應(yīng)力強(qiáng)度比,使各個(gè)豎向構(gòu)件的徐變、收縮特性基本一致,從而減小豎向變形差。應(yīng)當(dāng)制定合理的施工方案,嚴(yán)格安排豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工順序和施工時(shí)間差。

　　被動(dòng)適應(yīng)方法。即先施工徐變量較大的構(gòu)件,待這些構(gòu)件完成大部分徐變后,再施工與之相連、相鄰的構(gòu)件。本電視塔核心筒采用爬模施工,比鋼管混凝土外筒可以超前爬模20~40m,就是利用時(shí)間差來減小豎向變形差。

　　主動(dòng)補(bǔ)償法。在外筒鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件下料時(shí)考慮由于壓縮和徐變而產(chǎn)生的豎向變形差,以若干層為一段調(diào)整鋼管柱的長度,使各層的豎向變形差控制在很小的范圍內(nèi)。

　　混凝土澆筑完畢后,采用合理的養(yǎng)護(hù)方法,盡量減小混凝土的徐變和收縮。

　　結(jié)語

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,國內(nèi)大中型城市的城市建設(shè)步伐越來越快。城市中的標(biāo)志性高層建筑不斷聳立。建筑工程技術(shù)上的高速飛躍,讓人類的居住空間向著藍(lán)天白云日益延展。這樣高聳的組合結(jié)構(gòu),施工階段和使用階段應(yīng)當(dāng)考慮整體變形,整體變形的關(guān)鍵就是要考慮內(nèi)外筒的變形協(xié)調(diào)問題。