高层建筑核心筒整体变形控制措施

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引言

　　电视广播塔在建筑造型上突破了传统意义上的格调,塔身由下至上逐渐变小,中部扭转,两头大中间小,呈现为扭曲的椭圆体,宛如一座高脚花瓶,于无形中见有形。其建筑结构通常采用筒中筒结构,核心筒的弹性变形、收缩和徐变变形之和的数量级还是比较明显的,因此,施工时要特别注意。

　　一.核心筒易变形因素分析

　　(一)风荷载的变形分析

　　随着高耸建筑的高度越来越高,柔度越来越大,而阻尼越来越小,对风的作用越来越敏感。因此,侧向荷载在总荷载中占有相当大的比重。除了地震作用外,主要的侧向荷载是风荷载。虽然风荷载没有地震荷载那样强烈,但是在该地区风的作用是极其的频繁,风荷载是一种重要的设计荷载。

　　(二)温度效应的变形分析

　　超高层建筑物跨季节施工因气温变化而引起的温度效应。高层建筑由于工程量大往往施工工期较长,需要跨季节跨年度施工。因为不同季节的气温有所变化,冬季和夏季的室外温度有温差,结构构件的温度与该构件在混凝土浇筑时的温度有较大的温差。于是,构件发生温差变形,而结构受到基础和地基的约束,构件之间也互相约束,从而产生温度内力的重分布。

　　建成使用后,由于室内外温差而引起的温度效应。主要产生日照温度荷载和骤然降温温度荷载。建筑物的内部多布置空调,外露结构长期受到气温和日辐射作用,室内外的温差也会产生建筑物自己的内力和变形,混凝土结构甚至出现裂缝。混凝土结构的最大温差的分布位置与结构方位、表面朝向、工程所处的地理位置有关。

　　(三)收缩与徐变引起的变形分析

　　超高建筑物的自重大,随着施工高度的增加,建筑物的下部柱子的轴向变形会逐渐加大。特别是在考虑混凝土的收缩、徐变因素后,工程竣工时下部几层的实际层高低于设计标高。徐变和收缩是混凝土在长期荷载作用下的固有特性。由于内外筒的材料特性及应力水平的差异,将导致混合体系产生显著的竖向变形差。随着时间和环境的变化,结构体系将发生显著的内力重分布,同时也会给非结构构件带来不利影响,甚至可能影响设备的安装和使用。

　　二.整体变形实施控制措施

　　(一)结构自重和施工活荷载作用阶段下的变形控制

　　一些力学性能试验研究表明,钢管混凝土核心混凝土的变形比普通混凝土要小得多。所以结构外筒的变形比混凝土核心筒的变形也小的多。整个结构在自重和施工活荷载的作用下,内外筒之间由于变形的协调,发生内力重分布,以适应结构的承载能力。

　　在计算和分析中,考虑建筑物自重、温度变化、混凝土弹性模量、收缩、徐变随时间的变化而对轴向变形产生影响。

　　建筑物自重的影响。与混凝土收缩和徐变相比,虽然混凝土收缩和徐变所引起的构件引起的轴向变形不可忽略,但是结构自重是造成竖向构件轴向变形的主要因素。为补偿结构自重引起竖向变形,在混凝土结构中配置相应的钢筋,提高结构强度和刚度。

　　核心筒施工的时间因素对工程施工有一定的影响,核心筒的施工时间越长,建筑物在自重作用下的轴向变形越小,但是总的轴向变形会加大。前者是因为随着时间的增加,混凝土的弹性模量和强度也逐渐增长,而后者则是因为混凝土构件的收缩和徐变随时间的增加一直在发展。

　　由于轴向变形压缩的影响,核心筒结构的底部层高偏低,到达上面结构施工时,结构标准层的层顶标高与设计标高不一样。理论上为了弥补轴向变形,在上面的标准层施工时加大结构层高高度。但实际上则应该是依据设计结果,计算出轴向变形,在底部结构施工时,预先留出富裕层间高度来,最终达到建筑物的总标高高度。

　　(二)温度效应引起的位移变形控制措施

　　在国内,建筑施工与设计工作基本上是分开的,建筑施工企业基本是按照设计图纸施工,因此减小和控制温度效应的措施应当主要从设计角度考虑。但是我国现有规范没有作出相关的明确规定,从一些文献资料的结果表明,影响高层结构温度效应的因素很多。结构体系、温差、建筑物高度、梁的刚度、柱的刚度都是影响因素。对此,关于温度效应的控制措施如下:

　　对结构采取有效的保温隔热措施。在温度变化剧烈的地方采用一些保温隔热材料,减小温度变化引起的温度应力。转换层也应注意保温、隔热,避免该层过分通风,与其上下层间产生较大的温差引起温度应力。

　　采取构造措施,适应结构温度变形和内力的措施。如混凝土搅拌过程中,添加少量化学添加剂,补偿混凝土收缩,堵塞毛细孔。但只靠克服缺陷仍不能完全解决后期温度变化引起的内力,还需采用以下措施:

　　设置刚性加强层可在一定程度上调整竖向构件间的不均匀变形;尽量合理安排施工工期,缩短工期,可减小施工过程中结构的温度变形和内力。

　　(三)收缩与徐变引起的位移变形控制措施

　　对于超高结构,设计时应考虑到混凝土徐变收缩引起的竖向变形差,控制结构竖向变形应当从设计、施工、监测三个方面结合起来。应尽早确定混凝土的配合比及施工方案,方便对按实际配合比调配的混凝土进行试验,并不断修正混凝土徐变和收缩变形的估算结果;同时在施工过程中,进行实时监测,对混凝土收缩和徐变的预测值不断进行修正,再处理再设计,形成“设计—预测—施工—修正—施工”的控制模式。

　　在综合考虑结构的力学性能和经济性的基础上,建议从下面几个方面考虑:

　　提高侧向刚度,减少水平位移。可以通过设计加强层承担竖向变形产生的内力。在结构合适的位置设置柔性节点以适应结构的竖向变形差。利用柔性连接来释放由于混凝土徐变和收缩引起的次应力和次弯矩。也可以设计特殊的构造节点,竖向可以自由伸缩,但可以有效传递水平剪力。在测量定位标高时,提前考虑收缩与徐变,依据设计要求进行调整标高。以补偿内外筒的竖向变形差异。在核心筒的周围与楼板之间设置后浇带,从而有效减少内外筒之间连接件的次应力。分别调整内外筒竖向构件的配筋率、面积体积比、应力强度比,使各个竖向构件的徐变、收缩特性基本一致,从而减小竖向变形差。应当制定合理的施工方案,严格安排竖向结构构件的施工顺序和施工时间差。

　　被动适应方法。即先施工徐变量较大的构件,待这些构件完成大部分徐变后,再施工与之相连、相邻的构件。本电视塔核心筒采用爬模施工,比钢管混凝土外筒可以超前爬模20~40m,就是利用时间差来减小竖向变形差。

　　主动补偿法。在外筒钢结构构件下料时考虑由于压缩和徐变而产生的竖向变形差,以若干层为一段调整钢管柱的长度,使各层的竖向变形差控制在很小的范围内。

　　混凝土浇筑完毕后,采用合理的养护方法,尽量减小混凝土的徐变和收缩。

　　结语

　　随着国民经济的发展,国内大中型城市的城市建设步伐越来越快。城市中的标志性高层建筑不断耸立。建筑工程技术上的高速飞跃,让人类的居住空间向着蓝天白云日益延展。这样高耸的组合结构,施工阶段和使用阶段应当考虑整体变形,整体变形的关键就是要考虑内外筒的变形协调问题。