超高层结构施工核心筒与框架柱竖向变形差分析及其对策研究

作者：江湖笑笑生目 录1绪论11.1选题背景11.2国内外研究现状21.2.1 相关领域国内外技术现状、发展趋势21.2.2 国内现有工作基础71.2.3课题单位现有工作基础（已有相关成及开展的研究）91.3本文研究的内容和目标121.3.1研究目标121.3.2 研究与开发的主要内容122超高层结构施工期核心筒与框架柱竖向变形差分析及其对策研究132.1 混凝土弹性变形与徐变收缩基本理论132.1.1影响弹性模量的因素132.1.2 混凝土收缩的影响因素152.2 超高层建筑竖向变形差影响因素分析162. 3 超高层建筑施工期影响因素对比172.4超高层框筒结构施工过程描述242.4.1超高层框筒施工时序的假定与等效简化243结论271绪论1.1选题背景超高层建筑的起源一般认为是在美国，在 20 世纪初，纽约各大高楼竞争世界第一高度，费城市政厅（167m，1894）、胜家大厦（186m，1908）、大都会保险大楼（213m，1909）、伍尔沃斯大厦（241m，1913）、川普大厦（283m， 1930）、克莱斯勒大厦（318m，1930），而最终 1931 年建成的美国纽约帝国大厦赢得了的胜利。381m、102 层的纽约帝国大厦成为当时的世界第一高楼， 在 1951 年增加天线，总高度达 443.7m。 拥有世界第一高度这一美称达40多年之久 ，直达世贸中心双子楼（417m，415m）的建成。所以，以美国纽约帝国大厦为起点，至今也有 100 多年的发展历史了，高层的发展从最开始的功能至上，主要考虑结构的经济、功能需求，不断地融入更多的智能、 生态的理念；另一方面，高层建筑的发展主要得益于建筑技术、建材的发展，传统的砖、石到钢筋混凝土，加上电梯的发明与运用也使得结构的高度不断地刷新。建筑材料越来越质轻高强， 不断改善了结构的抗震性能。20 世纪 80 年代，亚洲各国的经济不断发展，普通高层和超高层建筑也得到了迅猛地发展。我国改革开放的伟大成就下，我国的高层建筑发展尤为迅速， 统计数据截止2017年，目前世界上超过350m 的超高层建筑共 3栋，近一半的建筑在中国。在2012年以前，我国共建成超过250m的建筑94栋，500m以上超高层仅一栋；20132018年，我国计划建成 250m 以上超高层建筑164栋， 其中500m以上超高层建筑11栋。可以看出我国的超高层建筑向着越来越多， 越来越高的方向发展。 数据截止2017年6月，统计当前最高的超高层建筑， 如上表 1.1 表中显示， 在全球最高的15栋超高层建筑中中国占了10栋，可以看出我们在超高层建筑领域取得的巨大成功。竖向差异变形的产生会给超高层建筑带来很大的麻烦，首先超高层建筑本身的竖向差异变形较大，对于一个100层的超高层框架核心筒建筑，核心筒的竖向变形在封顶时刻可以达到 80 多毫米。但这样的竖向变形不至于对结构的安全性能产生重大影响。竖向差异变形对于结构从影响主要体现在三个方面：一是会产生附加应力；二是造成非结构部分定位产生偏差，三是造成装饰的开裂破损。对于超高层这样的超静定结构而言，竖向差异变形就相当于施加了一个支座位移，必然会产生附加应力，当水平构件的刚度较大时，影响尤为明显。对于结构的非结构部分如电路管道、电梯等，这样的竖向差异变形会对管线的定位产生很大的影响，同时，随着竖向差异变形的后续发展， 会使结构内表面的装饰或外外幕墙产生裂痕，对于超高层建筑主要的地标性建筑而言，不仅仅会影响使用的舒适度，还会产生不良的社会影响。另一方面， 在结构的竖向差异变形产生后，目前没有很好的结构调整措施，调整已产生的变形成本太高，需要我们在前期进行准确的控制。所以，正确模拟超高层竖向变形并对其进行有效的控制有很强的实际意义。1.2国内外研究现状1.2.1 相关领域国内外技术现状、发展趋势（一）超高层框架核心筒建筑竖向差异变形研究现状超高层的结构形式也在不断地发展，简单归纳可以分为两个特点：从单一到复杂，从平面到空间。从单一到复杂，即现在的高层建筑中不再想以往底层建筑那样采用单种抗侧体系，通常是多层抗侧体系的组合，框架-剪力墙体系、框架-核心筒体系、框架-巨型桁架-核心筒体系等等；在复杂的组合体系结构中，对于不规则的建筑布置，通过体系调整建立规则的结构受力，如框架-巨型框架混合结构等；从平面到空间，即从以往的剪力墙发展为筒结构体系，平面桁架发展为框架桁架布置。不仅仅是结构的发展，预应力技术、高强度材料、质轻材料的广泛应用和发展，使得超高层建筑的发展空间更为广阔。超高层建筑发展如此迅速，在实际的建造和投入使用还是存在很多问题的。 对于超高层建筑这样的竖向受力体系的建筑而言，竖向差异变形尤为明显。数据统计可以看出，随着高层建筑高度不断攀升，结构的自重荷载占结构整体竖向荷载近85%；随着材料的进步，结构构件的尺寸不但优化以满足建筑空间要求，使构件本身承担更大的结构内力，竖向荷载作用下产生更大的应变应力。另一方面， 现在超高层多采用混合的结构体系，框架核心筒体系是目前最常用的超高层结构混合体系，在框架核心筒结构中，框架柱与核心筒剪力墙之间存在明显的变形差异，随着高度的增长越来越大。钢筋混凝土混合结构进一步加剧结构的竖向差异变形。大量的工程实践显示，混凝土的徐变收缩对于超高层建筑的竖向差异变形有很大的影响。以前的认识中一般认为混凝土的徐变收缩是有利于减少结构的竖向差异变形 ，徐变收缩的发展改善了结构内的应力分布，从而减少框架核心筒间的竖向变形。近阶段的研究显示，徐变收缩对结构的竖向差异变形的影响是多样的，在不同的结构设计下，徐变收缩可能会进一步加速结构的差异变形。超高层框架核心筒结构的竖向变形研究关键在于建筑施工周期长，结构刚度、荷载随结构的施工不断变化 ，同时结构材料的时变特性也使竖向变形的计算更为复杂，针对上述的关键问题进行相关的研究现状调研。（二）结构施工模拟研究现状传统的结构分析中结构都是一次成行，分析主体的是确定的不变结构，而超高层结构的施工模拟主要特点在于结构的整体刚度和自重荷载随结构的施工不断变化，结构的刚度、荷载以及边界条件都是时间的函数，在对结构进行求解分析时，不断变化的结构信息和边界条件使对超高层竖向变形的分析变得复杂且工作量巨大。工程中对于结构的分析存在一定的“阈值”，在这个“阈值”以上， 过高的计算精度对于工程实际是没有任何意义的，从这个角度来看，我们需要在计算效率和计算精度间进行适当的选取。对于结构本身的分析技术在 20世纪已经相对发展成熟了，而对于结构在施工建筑期内还存在诸多问题需要解决， 同济大学曹志远 教授对此提出了施工力学和时变结构力学的十大问题，设计水工力学、结构力学等众多力学学科和土木工程学科，超高层建筑施工分析主要需要解决其中的时变结构内力重分配问题、 材料特性随时间变化的结构分析问题、施工过程优化问题。对于结构的时变力学问题，不同学者提出了很多不同的解决思路。在时变结构力学中，王光远院士按结构变化速率将其划分为三大领域：快速时变结构力学、 慢速时变结构力学和超慢速时变结构力学。 分别对应结构在经历快速荷载、 构件变化情况下（如在火车快速通过下的桥梁等），经历荷载、构件缓慢变化情况下（如起重机吊臂展开与回收、结构施工过程等）和经历荷载、构件极其缓慢变化情况下（如考虑结构整个服役期内力等）情况下的力学分析理论。超高层建筑结构的施工模拟就是典型的慢速时变结构力学问题，在慢速时变结构力学的问题中，因为体系变化速度缓慢，结构的加速度等其他外力可以忽略不计，可以当做是一系列连续的静力问题去处理，对着一系列的问题分析进行叠加得出结构最终的内力变形情况。 即时间冻结法。对于结构施工是否属于慢速时变结构力学赵宪忠通过反证法证明了结构拆分成为若干个阶段工况组合下的内力与变形时一致连续的，并进一步结构的分析周期拓展至结构倒塌阶段，提出“稳定型时变” 和“跳跃性时变”的概念，其实就是对施工速率：快速、慢速以及超慢速概念的一个拓展。对于结构施工分析， 学者都采用将结构拆分成若干施工阶段进行连续求解的方式。在精确施工模拟分析中，将整体结构拆分成若干个子结构通常有两种方法： 正装分析法和倒拆分析法。正装分析法就是按结构的施工顺序逐次生成结构进行分析计算。正装分析法，真实地还原了结构的生成过程，可以在分析中考虑结构的材料非线性的影响，计算精度高。缺点在于，当子结构的位移过大时，结构会出现不收敛的情况，计算鲁棒性较差。而倒装分析法则是按施工顺序的逆顺序进行分析计算的。在分析结构最后一步的子结构生成时刻， 分析计算结构模型； 然后对拆除最后的子结构后的剩余结构进行分析计算，最后运用叠加原理得到结构的竖向变形的内力值。倒拆法的优点在于可以得到理想状态下的结构变形， 所谓理想状态主要指结构的设计标高，按倒拆法分析得到的结果指导施工过程， 更加接近设计的标高。缺点在于，由此计算的竖向变形不能考虑之前施工过程的影响，也不能考虑施工过程中材料的时变特性。超高层施工模拟在上述的理论下最核心的问题是：（1）根据工程经验并结合实际的工程项目对超高层建筑进行合理的拆分， 决定需要力学分析的施工步和步数；（2）对每个施工步内的结构所受荷载进行合理的组合。结合实际情况决定是否考虑特大自然灾害如地震台风的作用，一般荷载中，也需要结合实际的施工情况，如施工材料的堆放问题、施工器械等，对施工荷载进行调整；（3）结合规范和过程实际，对结构验算中的安全系数的确定。每个施工步内的结构安全系数不一样，有些情况下需要对薄弱的施工步进行额外的加固分析。（三）框架-核心筒体系竖向变形差的研究现状著名的结构专家本戈尼塔拉特纳曾对竖向荷载下构件的竖向变形进行了深入的研究，他指出在竖向恒荷载和活荷载作用下，60层左右的框架核心筒建筑， 若其框架柱为钢柱，则可能产生50mm至76mm的竖向变形。 相同的荷载条件下，若框架柱为钢筋混凝土结构时，由于混凝土材料本身具有收缩和徐变的特性，其竖向变形量则会是钢柱的两倍左右。由此可见，在高层建筑中竖向荷载引起的竖向变形是不可忽视的。随着超高层建筑层数的增加，累计的竖向荷载也逐步增大并通过竖向构件往下传递，从而导致高度比较大的竖向构件产生明显的竖向变形。但对于同一平面而言，不同的构件也会产生不同的变形值，主要原因是：构件在水平面内的位置不同，比如有的柱布置在中间，有的柱布置在边角，其承担不同的荷载面积，自然会有不同的竖向荷载；其次，不同房间由于具有不同的使用功能，使楼板承担不同的恒载和活载；再次，柱、简体等不同构件由于具有不同的截面导致其刚度值差异较大，即使承受同等的竖向荷载作用，也会产生不同的竖向变形；最后，混凝土本身性质有很大的不确定性，温度、湿度等外界环境条件的差异都会导致混凝土收缩和徐变值的不同。 综上所述，框架核心筒结构的内外竖向变形差也就由此产生。国内外学者都是从对高层建筑的竖向变形进行观测开始了对钢筋混凝土建筑竖向变形的研究。 上世纪七十年代， Swamy长期观测了高层建筑的竖向变形， 并分析了不同构件在变形过程中内力的传递有何区别。 ACI 协会观测了Water Tower Pl ace、 River Plaze、 Lake Point Tower等高层混凝土建筑的竖向变形后，在总结数据的前提下通过大量的试验和计算得出理论变形值，将两者进行对比后得到如下结论：混凝土竖向构件在考虑收缩徐变的条件下，其瞬时变形是可以通过计算准确获得的；位于建筑底部的柱， 由于承受较大的竖向荷载，从而使其在瞬时压缩条件下的变形占总竖向变形值的比例较大；但位于建筑上部的竖向结构，由于承受较小的竖向荷载，导致在上部结构的竖向变形中，混凝土的收缩和徐变在总变形中占较大比例。在总结己有理论的基础上，Pan提出高层建筑的竖向变形主要包括依时竖