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高层钢框架—混凝土核心筒混合结构体系施工期间变形及其控制研究

陈灿  
【摘要】: 随着高层建筑的发展,钢框架-混凝土核心筒混合结构体系的应用日益增多。混合结构体系能充分发挥钢材与混凝土两种材料的特性,受力合理,抗震性能良好。但是,随着建筑高度的不断增高,施工期间结构体系的变形问题也逐渐凸显出来。这一问题不仅影响施工方案制定和施工质量控制,还关系到结构体系本身的安全。对变形问题进行研究,能够提高高层建筑结构的设计与施工水平,促进经济的发展。 对高层建筑结构混凝土材料力学性能的时变特性进行了研究。通过对试验数据的拟合,建立了高强、高泵程混凝土的抗压强度、弹性模量和泊松比随龄期变化的模型。通过与试验数据对比,对广泛应用的几种混凝土徐变模型进行了评价,认为CEB-FIP MC90模型与B3模型能够较好地预测高强、大流动性混凝土施工期间的徐变。 对施工期间高层结构体系竖向变形的计算方法进行了讨论。采用按龄期调整的有效模量法,能够将复杂的徐变计算转化为拟弹性问题,大为简化了高层建筑结构的竖向变形计算。施工过程对结构计算影响不可忽略,用有限元-超级元耦合方法能够很好地模拟施工过程,提高了计算效率。基于施工进程,将结构施工期间的竖向变形分为“已发生值”和“将发生值”,通常施工中的找平会把前者补偿掉,而变形只剩下后者。这为施工过程中竖向承重构件确定找平补偿值提供了理论指导。 以一个典型的57层钢框架.混凝土核心筒混合结构体系为对象,进行了施工期间的竖向变形分析。在计算中考虑了混凝土的时变性、核心筒领先钢框架施工,以及找平补偿等因素。计算表明,施工结束时,弹性变形占到总竖向变形的比例在60%左右,而徐变与收缩大约占40%。找平补偿使承重构件的累积竖向变形呈现出“顶、底部层小,中间部层大”的随层变化规律,而不是通常的随层递增。外钢框架柱承担大部分竖向荷载,其累积弹性竖向变形要大于核心筒,但混凝土的徐变、收缩减少了竖向变形差异水平。因此,在施工时让核心筒先行施工若干楼层以使混凝土的徐变收缩尽早开始发展,能有效减小受力体系间竖向变形差异。连接核心筒与外钢框架柱的梁,由于混凝土的徐变收缩造成了梁端支座负弯矩的变化。对于连接核心筒一端来说,徐变收缩减小了梁端支座负弯矩,而对于连接外钢框架柱一端则是增加。从整个结构上看,徐变收缩因素对结构中间部层梁支座弯矩的影响要比顶、底层的大。对于钢框架柱,通过计算对比讨论了不同补偿方案对柱竖向变形的影响。建议可以采用“不等长度区段补偿法”对钢框架柱进行找平补偿。 对混合结构体系施工期间水平变形的简化计算方法进行研究。根据施工特点,将混合结构体系分为“悬臂部分”与“完整部分”,根据钢框架与核心筒协同工作原理建立了平面简化模型并获得解析解。为了手算应用,将计算过程中所需的数据制成了图表便于查找。通过与三维有限元模型的计算对比,验证了简化计算方法的可靠性。计算表明,核心筒领先施工层数越多,结构体系的水平变形越大。 对控制结构体系施工期间变形的施工方案和措施进行了研究。提出了以控制高层混合结构体系施工期间水平变形为目标的确定核心筒领先施工层数的方法。钢框架梁的二次施工,可以在竖向变形差异随施工进程发展到某个极小值后进行,从而最大限度地减小竖向变形差给梁内力带来的影响。


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