變形分析與控制

1、.（一）核心筒整體變形控制 在高層鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)中,由于框筒豎向構(gòu)件的材料不同、應(yīng)力不同以及混凝土的收縮和徐變、施工安裝的時間差、結(jié)構(gòu)不同部位的溫度差等影響, 將導(dǎo)致豎向構(gòu)件之間的豎向變形差異, 其中鋼構(gòu)件的壓縮大于混凝土構(gòu)件的壓縮。由于同一結(jié)構(gòu)中不同豎向構(gòu)件的材料特性及應(yīng)力水平的差異，將導(dǎo)致這種混合體系產(chǎn)生顯著的豎向變形差。根據(jù)國內(nèi)外多個工程實(shí)測表明：若不包括溫度變形，鋼筋混凝土柱的彈性變形和徐變、收縮變形之和大約每400m高度可達(dá)100mm，徐變和收縮變形之和約為彈性變形的兩倍。這些與時間和環(huán)境相關(guān)的變形將使結(jié)構(gòu)隨時間發(fā)生顯著的內(nèi)力重分布，也會給非結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶來不利影響，還可

2、能影響設(shè)備的安裝和使用。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)變形影響因素分析變形分類混凝土徐變結(jié)構(gòu)不同面溫度差風(fēng)荷載影響混凝土結(jié)構(gòu)剛度彈性形變影響因素材料、環(huán)境、應(yīng)力條件日照風(fēng)力材料與結(jié)構(gòu)形式材料、荷載為了能盡可能的控制核心筒的整體變形，我們應(yīng)對各種變形的原因進(jìn)行分析，找出對應(yīng)的解決措施。 1、混凝土結(jié)構(gòu)徐變混凝土在持續(xù)荷載作用下會發(fā)生徐變變形，徐變的存在會使混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低，縮短其使用壽命?；炷潦且环N主要用于承受壓力的脆性材料，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度。混凝土生產(chǎn)徐變的原因，一般認(rèn)為是由于在長期荷載作用下，水泥石中的凝膠體產(chǎn)生粘性流動，向毛細(xì)管內(nèi)遷移，或者凝膠體中的吸附水或結(jié)晶水向內(nèi)部毛細(xì)孔遷移滲透所

3、致。從水泥凝結(jié)硬化過程可知，隨著水泥的逐漸水化，新的凝膠體逐漸填充毛細(xì)孔，使毛細(xì)孔的相對體積逐漸減小。在荷載初期或硬化初期，由于未填滿的毛細(xì)孔較多，凝膠體的遷移較容易，故徐變增長較快。以后由于內(nèi)部移動和水化的進(jìn)展，毛細(xì)孔逐漸減小，徐變速度愈來愈慢。徐變是混凝土這種粘彈性材料的重要性質(zhì)之一。通常對于混凝土結(jié)構(gòu)會因?yàn)樾熳兌沟米冃尾粩嘣龃?,或者帶來預(yù)應(yīng)力損失 ,人們十分熟悉。但是另一方面,徐變會使混凝土的溫度或其他收縮變形受約束時產(chǎn)生的應(yīng)力得到松弛。事實(shí)上 ,長期以來結(jié)構(gòu)混凝土因?yàn)楦鞣N收縮變形受約束而并未引起廣泛開裂的重要原因,是早期強(qiáng)度增長較緩慢的混凝土徐變松弛作用顯著的結(jié)果。以一組數(shù)據(jù)來說明

4、徐變的作用1 :設(shè)混凝土達(dá)到溫峰后下降幅度為 3 0 ,其彈性模為30,線脹系數(shù) 1 0 1 0 -6,如果不存在徐變 ,則引起的拉應(yīng)力可高達(dá) 9 ,顯然任何普通混凝土都無法承受這樣大的應(yīng)力而產(chǎn)生開裂,由此可見徐變的影響之大。徐變與混凝土強(qiáng)度通常是反向發(fā)展的，使普通混凝土原來具備開裂后的自愈能力完全喪失 ,因此一旦混凝土開裂就無法再愈合 ,而且在外界荷載與環(huán)境條件 (包括干濕、冷熱循環(huán) )作用下繼續(xù)收縮,使裂縫會進(jìn)一步連通和擴(kuò)展。 1.1、徐變產(chǎn)生的機(jī)理分析 徐變是指在固定應(yīng)力或荷載作用下，應(yīng)變隨時間的增長而繼續(xù)不斷發(fā)展的一種現(xiàn)象。它是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，將其主要機(jī)理分為:1）在應(yīng)力作用

5、下、在吸附水層的潤滑作用下，水泥膠凝體的滑動或剪切所產(chǎn)生的水泥石的粘稠變形。精品.2）在應(yīng)力作用下，山于吸附水層的滲流或?qū)娱g水轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致的緊縮。3）由于水泥膠凝體對骨架(由骨料和膠體結(jié)晶組成)彈性變形的約束作用所引起的滯后彈性變形。4）由于局部破裂(在應(yīng)力作用下發(fā)生微裂及結(jié)晶破壞)以及重新結(jié)晶與新的聯(lián)結(jié)而產(chǎn)生的永久變形1.2、混凝土徐變的影響因素混凝土的徐變和許多因素有關(guān)。水灰比較小或混凝土在水中養(yǎng)護(hù)時，同齡期的水泥石中未填滿的孔隙較少，故徐變較小。水灰比相同的混凝土，水泥用量愈多，即水泥石相對含量愈大，其徐變愈大?；炷了眉蠌椥阅Ａ枯^大時，徐變較小。此外，徐變與混凝土的彈性模量也有密切關(guān)

6、系。一般彈性模量大者，徐變小?；炷列熳冞€與集料級配、粗集料最大粒徑、養(yǎng)護(hù)條件、受荷應(yīng)力種類、溫度等因素有關(guān)。根據(jù)混凝土徐變的機(jī)理，可得出影響混凝土徐變的主要因素:混凝土結(jié)構(gòu)徐變影響因素分析影響因素水泥品種水灰比骨料養(yǎng)護(hù)條件施工振搗構(gòu)件尺寸溫度、濕度作用荷載外加劑影響方式水泥品種對混凝土徐變的影響主要是通過它對水化作用速率的影響，從而影響到混凝土強(qiáng)度的發(fā)展速度以及混凝土加載時的強(qiáng)度大小，強(qiáng)度發(fā)展較快的水泥導(dǎo)致的混凝土徐變越小。水灰比對徐變的影響有雙重作用:當(dāng)增加水灰比時，毛細(xì)空隙的增加導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，從而使徐變增加。同時，當(dāng)增加水灰比時，混凝土的水泥漿含量增加，也將引起徐變增加。骨料對徐變

7、主要是約束作用。具有最大尺寸大、級配良好、形狀合適的骨料的混凝土具有較低的水灰比和較低的水泥漿含量，這樣使混凝土具有較小的徐變。養(yǎng)護(hù)條件指的是養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫度、濕度以及養(yǎng)護(hù)的時間。環(huán)境溫度與濕度都將影響到水泥水化比的速度和程度，水化程度越低，水泥膠凝體就越密實(shí)，強(qiáng)度和彈性模量越高，從而混凝土的徐變越低。因而，可通過濕熱養(yǎng)護(hù)或延長養(yǎng)護(hù)時二次預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)超薄梁及其試驗(yàn)研究間來減少徐變。施工重復(fù)振搗可消除早期收縮所引起的內(nèi)部應(yīng)力，因此混凝土中的有效應(yīng)力低于未重復(fù)振搗的有效應(yīng)力。振搗可使水泥漿的強(qiáng)度增加。因此振搗可減少混凝土的徐變。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸將決定環(huán)境溫度與濕度影響混凝土性能的程度。表面積/體積比

8、值大的水分散失要大些。對于尺寸的影響，規(guī)范中一般以“有效厚度”或“理論厚度”來考慮。理論厚度越大則徐變越小相對濕度越低、環(huán)境溫度越高，混凝土的徐變就越大。加載齡期愈早，水化愈不充分，混凝土強(qiáng)度愈低，徐變就越大。當(dāng)混凝土持續(xù)應(yīng)力小于0.5 ro(混凝土的棱柱體強(qiáng)度)時，應(yīng)力與徐變變形成正比，當(dāng)應(yīng)力大于0.5 ra時，徐變變形比應(yīng)力增長更快，應(yīng)力與徐變不再保持線性關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力接近ra時，則徐變變形沒有終極值，此時徐變不斷增加直至混凝土破壞。外加劑中的減水劑具有表面活性作用，即分散水泥顆粒的反凝絮作用，可以在不增加用水量的情況下提高混凝土的和易性，或保持同樣和易性的情況下降低水灰比，減少用水量。普通

9、減水劑一般可增大徐變值，而超級減水劑根據(jù)試驗(yàn)資料對混凝土的徐變沒有明顯的影響。此外，促凝劑一般增大混凝土的徐變，混凝土中的空氣含量大，也會增大混凝土的徐變.徐變與混凝土強(qiáng)度通常是反向發(fā)展的，使普通混凝土原來具備開裂后的自愈能力完全喪失 ,因此一旦混凝土開裂就無法再愈合 ,而且在外界荷載與環(huán)境條件 (包括干濕、冷熱循環(huán) )作用下繼續(xù)收縮 ,使裂縫會進(jìn)一步連通和擴(kuò)展。國內(nèi)水泥這些年來的變化 ,也促使混凝土的徐變能力發(fā)生了同樣的演變。 精品.徐變變形規(guī)律(1)當(dāng)應(yīng)力水平相對較低時(如圖)，在持續(xù)荷載作用下，其變形雖然隨著時間的增加而有所增長，但增長速度緩慢，試件在持續(xù)荷載作用下歷時一個月而未破壞這可

10、能是由于存在某一應(yīng)力水平(長期強(qiáng)度)，當(dāng)持續(xù)荷載在這一應(yīng)力水平以下時，構(gòu)件不會發(fā)生徐變破壞。 (2)當(dāng)在較高應(yīng)力水平時(如圖)，其變形隨時間的增加不斷增長，直至構(gòu)件發(fā)生徐變破壞這類徐變曲線一般可以分為3個階段：在第1階段，徐變速率隨時間的增長逐漸減小，該階段是混凝土由瞬時彈性階段向徐變變形轉(zhuǎn)化的過渡階段，稱為徐變減速階段；在第2階段，徐變速率隨時間的增加變化很小，徐變曲線接近直線，稱之為穩(wěn)定徐變階段，混凝土內(nèi)部的微裂縫在該階段開始萌生與擴(kuò)展；到了第3階段，微裂縫得到進(jìn)一步擴(kuò)展并貫通為宏觀裂紋，該階段中的徐變速率隨時間的增加不斷增大，并最終導(dǎo)致材料破壞，稱之為徐變加速階精品.段。混凝土的收縮和徐

11、變密不可分，兩者同時對結(jié)構(gòu)的長期變形產(chǎn)生影響，不能把兩者完全孤立開。收縮和徐變作用機(jī)理不同，收縮是不依賴于荷載的一種變形，而徐變是依賴于荷載的一種變形，此收縮和徐變要根據(jù)其影響機(jī)制正確對待?；炷恋氖湛s和徐變對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形影響較大，尤其是收縮會引起比較大的附加變形。精品. 2、風(fēng)載影響 本工程塔體高度將達(dá)+432米，受到風(fēng)力、日照、溫差等多種動態(tài)作用的影響，核心筒頂部處于偏擺運(yùn)動狀態(tài)。根據(jù)類似工程的監(jiān)測研究表明，塔心在一個白天的位移軌跡，是一個未閉合的近似橢圓形，預(yù)測廣州西塔核心筒頂部施工期間的擺幅可能會大于15厘米。其中越到頂部，風(fēng)力對結(jié)構(gòu)的影響越大。 高層建筑的主要荷載為水平荷載，

12、風(fēng)荷載是建筑的設(shè)計(jì)荷載之一,也是高層建筑,高聳建筑的主要荷載之一。風(fēng)速的脈動以及橫向風(fēng)渦流的頻繁將引起結(jié)構(gòu)順向風(fēng)和橫向風(fēng)振動，甚至產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)耦合振動，失穩(wěn)，弛振及顫振。當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期與風(fēng)振周期接近一致時，有可能使建筑倒塌。歷史上因?yàn)轱L(fēng)振造成的工程結(jié)構(gòu)坍塌事故實(shí)有發(fā)生。美國塔科馬港灣上的第一座塔科馬橋就是在竣工四個月后的1940年11月7日毀于68千米/小時的風(fēng)振。同地震作用相比，風(fēng)力作用極其頻繁且持續(xù)時間比較長，因此風(fēng)力的影響比地震大的多。高層建筑對風(fēng)的動力作用比較敏感，建筑物越柔，自振周期越長，風(fēng)的動力作用也就越顯著。如果在強(qiáng)風(fēng)作用下產(chǎn)生過大的水平位移和振幅，會使建筑物產(chǎn)生一定的損害或者由于

13、風(fēng)振引起構(gòu)件的疲勞破壞。為了使高層建筑在風(fēng)力作用下不會發(fā)生倒塌，結(jié)構(gòu)開裂和過大的殘余變形，就必須研究高層建筑在風(fēng)振作用下的變形情況，進(jìn)而采取合理的風(fēng)振控制措施。因此研究風(fēng)對工程結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。高層建筑風(fēng)振變形的研究主要是研究風(fēng)振對高層建筑物傾斜，水平位移，豎向變形，不同層面間的扭轉(zhuǎn)變形。風(fēng)振測量的方法，常用的是風(fēng)洞模擬法和現(xiàn)場直接測量法。為了掌握風(fēng)振作用下高層建筑物的豎向變形和不同層面的扭轉(zhuǎn)變形，我們可以采用現(xiàn)場直接測量的方法，根據(jù)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以對高層建筑在風(fēng)振作用下的變形規(guī)律進(jìn)行初步的總結(jié)，并且在有條件的情況下，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，定性定量地分析風(fēng)振對高層建筑

14、產(chǎn)生的影響。受風(fēng)載影響，西塔外筒鋼結(jié)構(gòu)和核心筒部分?jǐn)[動比較大，為了盡量減少風(fēng)載對筒體結(jié)構(gòu)變形的影響，我們每12層設(shè)置一個測量轉(zhuǎn)化層，并且定周期復(fù)核，防止誤差累積。具體操作步驟參見工程測量部分主塔樓垂直度控制部分。通過精確的定位，完全可以將風(fēng)載的影響控制在容許范圍內(nèi)。 3、日照影響由于日照的影響，混凝土構(gòu)件和鋼構(gòu)件背面和正面受到的陽光照射不一樣，產(chǎn)生的溫差導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生變形。溫度變化時，若結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件變形受到約束，那么構(gòu)件的膨脹、收縮不能自由發(fā)生，結(jié)構(gòu)構(gòu)件就有內(nèi)力，稱為溫度內(nèi)力。對于一般的低層建筑物溫度變形和溫度內(nèi)力很小，可忽略。但隨著建筑物高度增高、溫度內(nèi)力也越來越大。日照變形觀測應(yīng)在高聳建筑物

15、或單柱（獨(dú)立高柱）受強(qiáng)陽光照射或輻射的過程中進(jìn)行，應(yīng)測定建筑物或單柱上部由于向陽面與背陽面溫差引起的偏移量及其變化規(guī)律。日照變形觀測可根據(jù)不同觀測條件與要求選用下列方法：1 當(dāng)建筑物內(nèi)部具有豎向通視條件時，應(yīng)采用激光鉛直儀觀測法。在測站點(diǎn)上可安置激光鉛直儀或激光經(jīng)緯儀，在觀測點(diǎn)上安置接收靶。每次觀測，可從接收靶讀取或量出頂部觀測點(diǎn)的水平位移值和位移方向，亦可借助附于接收靶上的標(biāo)示光點(diǎn)設(shè)施，直接獲得各次觀測的激光中心軌跡圖，然后反轉(zhuǎn)其方向即為實(shí)測日照變形曲線圖。2 從建筑物外部觀測時，可采用測角前方交會法或方向差交會法。對于單柱的觀測，按不同量測條件，可選用經(jīng)緯儀投點(diǎn)法、測頂部觀測點(diǎn)與底部觀測點(diǎn)

16、之間的夾角法或極坐標(biāo)法。按上述方法觀測時，從兩個測站對觀測點(diǎn)的觀測應(yīng)同步進(jìn)行。所測頂部的水平位移量與位移方向，應(yīng)以首次測算的觀測點(diǎn)坐標(biāo)值或頂部觀測點(diǎn)相對底部觀測點(diǎn)的水平位移值作為初始值，與其他各次觀測的結(jié)果相比較后計(jì)算求取。 一般來說，受日照溫差影響， 晚上日落以后到早上日出以前，向陽面與背陽面溫差較小，引起的變形偏位也就比較小，早上10點(diǎn)以后至下午4點(diǎn)以前，由于內(nèi)外溫差較大，核心筒部位變形偏位較大，具體影響曲線如下圖：精品. 為了減小日照對建筑變形的影響，我們選在0：008點(diǎn)之間進(jìn)行控制測量和投點(diǎn)工作，以盡量減少日照變形對施工的影響和軸線偏差的影響。4、豎向變形差的解決方案 對于超高層結(jié)構(gòu)的

17、豎向變形差異問題，可以從材料和結(jié)構(gòu)兩個方面來擬定解決方案。從問題的本質(zhì)來講，控制徐變與收縮應(yīng)首先從混凝土材料本身著手，調(diào)整混凝土的組成材料及配合比，采用合理的養(yǎng)護(hù)方法，盡量減小混凝土的徐變和收縮：（1）降低混凝土中水泥在水化過程中的水化熱，提高混凝土和易性，減少水灰比，增加混凝土的密實(shí)性和提高混凝土抗拉強(qiáng)度，減少混凝土在施工過程中由于溫差過大產(chǎn)生膨脹與收縮應(yīng)力。（2）延長混凝土初凝及終凝時間，因?yàn)樗嘣谒目偘l(fā)熱量是個常數(shù)，延長升溫與降溫時間，不致于使溫度梯度產(chǎn)生峰值，使膨脹與收縮的應(yīng)力達(dá)到最高值，裂縫迅速加大。（3）合理選用混凝土粗細(xì)骨料，水灰比，摻適量微膨脹劑，緩凝劑，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自應(yīng)力，

18、來提高混凝土的抗拉能力，減少由于熱脹冷縮產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫及提高抗?jié)B能力。（4）加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)，采取有效表層保溫，保濕措施，使外界氣溫與混凝土表面溫差不宜過大，散熱過快，并保持足夠水份，使混凝土水化與凝固更完善，減少溫度梯度，膨脹與收縮更均勻。（5）嚴(yán)格控制水灰比，水是影響混凝土收縮主要因素，因混凝土中水份大部分蒸發(fā)引起混凝土內(nèi)部形成很多毛細(xì)孔，降低混凝土抗拉強(qiáng)度、收縮變形也同時發(fā)生，因此采用減水劑、減少水灰比，改善混凝土和易性，從而提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，減小混凝土徐變和收縮量。精品.施工過程中的控制方法也可分之為兩類，一類可稱為被動適應(yīng)方法，另一類可稱為主動補(bǔ)償方法。被動方法是先施工徐變量較大的

19、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。以本工程采用的核芯筒_外鋼框架體系為例，混凝土芯筒常采用滑模施工，芯筒施工超前周邊鋼框架的安裝和樓蓋體系的施工。一般超前的進(jìn)度為& $& 層。超前進(jìn)度的多少應(yīng)考慮施工工期和施工操作面的要求，同時考慮到使芯筒混凝土“提前”完成大部分的徐變。如果為了提高施工的整體進(jìn)度縮短芯筒與周邊鋼框架之間時間差，可以采用主動補(bǔ)償方法。所謂補(bǔ)償是指周邊鋼結(jié)構(gòu)柱在下料時考慮到由于彈性壓縮及混凝土徐變而產(chǎn)生的豎向變形差，以若干層為一段調(diào)整柱的長度，使各層的豎向變形差控制在很小的范圍內(nèi)，不至于給結(jié)構(gòu)造成太大影響。當(dāng)然，被動方法和主動方法在施工中可以同時使用。4

20、.1 被動適應(yīng)被動方法是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。以本工程采用的核芯筒_外鋼框架體系為例，混凝土核芯筒常采用滑模施工，芯筒施工超前周邊鋼框架的安裝和樓蓋體系的施工。一般超前的進(jìn)度為515層。超前進(jìn)度的多少應(yīng)考慮施工工期和施工操作面的要求，同時考慮到使芯筒混凝土“提前”完成大部分的徐變。從問題的本質(zhì)來講，控制徐變與收縮應(yīng)首先從混凝土材料本身著手，調(diào)整混凝土的組成材料及配合比，采用合理的養(yǎng)護(hù)方法，盡量減小混凝土的徐變和收縮。一般認(rèn)為，混凝土結(jié)硬過程中特別是結(jié)硬初期，水泥水化凝結(jié)作用引起體積的凝縮，以及混凝土內(nèi)游離水分蒸發(fā)逸散引起的干縮，是產(chǎn)生收縮

21、變形的主要原因。注意養(yǎng)護(hù)，在濕度大、溫度高的環(huán)境中結(jié)硬則收縮小；體表比直接涉及混凝土中水分蒸發(fā)的速度，體表比比值大，水分蒸發(fā)慢，收縮小；密實(shí)的混凝土收縮??；水泥用量多、水灰比大、收縮就大；用強(qiáng)度高的水泥制成的混凝土收縮較大；骨料的彈性模量高、粒徑大，所占體積比大，收縮小。當(dāng)鋼筋混凝土筒體先于鋼框架施工時，應(yīng)考慮施工階段鋼筋混凝土筒體在風(fēng)力及其他荷載作用下的不利受力狀態(tài)，型鋼混凝土構(gòu)件應(yīng)驗(yàn)算在澆筑混凝土之前鋼框架在施工荷載及可能的風(fēng)載作用下的承載力、穩(wěn)定及位移，并據(jù)此確定鋼框架安裝與澆筑混凝土樓層的間隔層數(shù)。混凝土在硬化后和使用過程中，受各種因素影響而產(chǎn)生變形，主要有化學(xué)收縮、干濕變形、溫度變形和荷載作用下的變形等，這些都是使混凝土產(chǎn)生裂縫的重要原因，直接影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。4.2 主動補(bǔ)償為了提高施工的整體進(jìn)度縮短芯筒與周邊鋼框架之間時間差，可以采用主動補(bǔ)償方法。所謂補(bǔ)償是指周邊鋼結(jié)構(gòu)柱在下料時考慮到由于彈性壓縮及混凝土徐變而產(chǎn)生的豎向變形差，以若干層為一段調(diào)整柱的長度，使各層的豎向變形差控制在很小的范圍內(nèi)，不至于給結(jié)構(gòu)造成太大影響。此外設(shè)計(jì)者應(yīng)從結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面來解決豎向變形差異問題，可選擇以下方案：1) 抗 為提高側(cè)向剛