高層建筑核心筒整體變形控制措施探討

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

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,塔身由下至上逐漸變小,中部扭轉,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。其建筑結構通常采用筒中筒結構,核心筒的彈性變形、收縮和徐變變形之和的數(shù)量級還是比較明顯的,因此,施工時要特別注意。

　　一.核心筒易變形因素分析

　　(一)風荷載的變形分析

　　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,對風的作用越來越敏感。因此,側向荷載在總荷載中占有相當大的比重。除了地震作用外,主要的側向荷載是風荷載。雖然風荷載沒有地震荷載那樣強烈,但是在該地區(qū)風的作用是極其的頻繁,風荷載是一種重要的設計荷載。

　　(二)溫度效應的變形分析

　　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。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。因為不同季節(jié)的氣溫有所變化,冬季和夏季的室外溫度有溫差,結構構件的溫度與該構件在混凝土澆筑時的溫度有較大的溫差。于是,構件發(fā)生溫差變形,而結構受到基礎和地基的約束,構件之間也互相約束,從而產(chǎn)生溫度內力的重分布。

　　建成使用后,由于室內外溫差而引起的溫度效應。主要產(chǎn)生日照溫度荷載和驟然降溫溫度荷載。建筑物的內部多布置空調,外露結構長期受到氣溫和日輻射作用,室內外的溫差也會產(chǎn)生建筑物自己的內力和變形,混凝土結構甚至出現(xiàn)裂縫?；炷两Y構的最大溫差的分布位置與結構方位、表面朝向、工程所處的地理位置有關。

　　(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,工程竣工時下部幾層的實際層高低于設計標高。徐變和收縮是混凝土在長期荷載作用下的固有特性。由于內外筒的材料特性及應力水平的差異,將導致混合體系產(chǎn)生顯著的豎向變形差。隨著時間和環(huán)境的變化,結構體系將發(fā)生顯著的內力重分布,同時也會給非結構構件帶來不利影響,甚至可能影響設備的安裝和使用。

　　二.整體變形實施控制措施

　　(一)結構自重和施工活荷載作用階段下的變形控制

　　一些力學性能試驗研究表明,鋼管混凝土核心混凝土的變形比普通混凝土要小得多。所以結構外筒的變形比混凝土核心筒的變形也小的多。整個結構在自重和施工活荷載的作用下,內外筒之間由于變形的協(xié)調,發(fā)生內力重分布,以適應結構的承載能力。

　　在計算和分析中,考慮建筑物自重、溫度變化、混凝土彈性模量、收縮、徐變隨時間的變化而對軸向變形產(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件引起的軸向變形不可忽略,但是結構自重是造成豎向構件軸向變形的主要因素。為補償結構自重引起豎向變形,在混凝土結構中配置相應的鋼筋,提高結構強度和剛度。

　　核心筒施工的時間因素對工程施工有一定的影響,核心筒的施工時間越長,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加大。前者是因為隨著時間的增加,混凝土的彈性模量和強度也逐漸增長,而后者則是因為混凝土構件的收縮和徐變隨時間的增加一直在發(fā)展。

　　由于軸向變形壓縮的影響,核心筒結構的底部層高偏低,到達上面結構施工時,結構標準層的層頂標高與設計標高不一樣。理論上為了彌補軸向變形,在上面的標準層施工時加大結構層高高度。但實際上則應該是依據(jù)設計結果,計算出軸向變形,在底部結構施工時,預先留出富裕層間高度來,最終達到建筑物的總標高高度。

　　(二)溫度效應引起的位移變形控制措施

　　在國內,建筑施工與設計工作基本上是分開的,建筑施工企業(yè)基本是按照設計圖紙施工,因此減小和控制溫度效應的措施應當主要從設計角度考慮。但是我國現(xiàn)有規(guī)范沒有作出相關的明確規(guī)定,從一些文獻資料的結果表明,影響高層結構溫度效應的因素很多。結構體系、溫差、建筑物高度、梁的剛度、柱的剛度都是影響因素。對此,關于溫度效應的控制措施如下:

　　對結構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力。轉換層也應注意保溫、隔熱,避免該層過分通風,與其上下層間產(chǎn)生較大的溫差引起溫度應力。

　　采取構造措施,適應結構溫度變形和內力的措施。如混凝土攪拌過程中,添加少量化學添加劑,補償混凝土收縮,堵塞毛細孔。但只靠克服缺陷仍不能完全解決后期溫度變化引起的內力,還需采用以下措施:

　　設置剛性加強層可在一定程度上調整豎向構件間的不均勻變形;盡量合理安排施工工期,縮短工期,可減小施工過程中結構的溫度變形和內力。

　　(三)收縮與徐變引起的位移變形控制措施

　　對于超高結構,設計時應考慮到混凝土徐變收縮引起的豎向變形差,控制結構豎向變形應當從設計、施工、監(jiān)測三個方面結合起來。應盡早確定混凝土的配合比及施工方案,方便對按實際配合比調配的混凝土進行試驗,并不斷修正混凝土徐變和收縮變形的估算結果;同時在施工過程中,進行實時監(jiān)測,對混凝土收縮和徐變的預測值不斷進行修正,再處理再設計,形成“設計—預測—施工—修正—施工”的控制模式。

　　在綜合考慮結構的力學性能和經(jīng)濟性的基礎上,建議從下面幾個方面考慮:

　　提高側向剛度,減少水平位移。可以通過設計加強層承擔豎向變形產(chǎn)生的內力。在結構合適的位置設置柔性節(jié)點以適應結構的豎向變形差。利用柔性連接來釋放由于混凝土徐變和收縮引起的次應力和次彎矩。也可以設計特殊的構造節(jié)點,豎向可以自由伸縮,但可以有效傳遞水平剪力。在測量定位標高時,提前考慮收縮與徐變,依據(jù)設計要求進行調整標高。以補償內外筒的豎向變形差異。在核心筒的周圍與樓板之間設置后澆帶,從而有效減少內外筒之間連接件的次應力。分別調整內外筒豎向構件的配筋率、面積體積比、應力強度比,使各個豎向構件的徐變、收縮特性基本一致,從而減小豎向變形差。應當制定合理的施工方案,嚴格安排豎向結構構件的施工順序和施工時間差。

　　被動適應方法。即先施工徐變量較大的構件,待這些構件完成大部分徐變后,再施工與之相連、相鄰的構件。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,就是利用時間差來減小豎向變形差。

　　主動補償法。在外筒鋼結構構件下料時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。

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

　　結語

　　隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,國內大中型城市的城市建設步伐越來越快。城市中的標志性高層建筑不斷聳立。建筑工程技術上的高速飛躍,讓人類的居住空間向著藍天白云日益延展。這樣高聳的組合結構,施工階段和使用階段應當考慮整體變形,整體變形的關鍵就是要考慮內外筒的變形協(xié)調問題。