高层框—筒混合结构施工期间变形控制策略

陈 灿

钢框架—混凝土核心筒混合结构(下文简称混合结构)是指由外钢框架与混凝土核心筒体所组成的共同承受竖向和水平作用的高层建筑结构。钢框架与混凝土核心筒在施工期间存在很大的竖向变形差异。这是由于外钢框架柱工作应力与弹性模量的比值要比核心筒大,因此柱的弹性缩短将大于核心筒。随着结构层数的增加,自重引起的累积竖向变形差异将越来越大。更重要的是,整个施工期间核心筒混凝土徐变、收缩在不断开展,进一步加剧了筒、柱间的竖向变形差。

水平变形方面,在水平荷载(主要是风荷载)作用下,施工期间核心筒混凝土的弹性模量还未达到设计值,内筒与外框并未形成完整的协同工作的抗侧力体系,存在不安全因素。因此《高规》[1]第11.2.16条规定:“混合结构体系的钢筋混凝土筒体先于钢框架施工时,应考虑施工阶段钢筋混凝土筒体在风力及其他荷载作用下的不利受力状态,型钢混凝土构件应验算在浇筑混凝土之前钢框架在施工荷载及可能的风载作用下的承载力、稳定及位移,并据此确定钢框架安装与浇筑混凝土楼层的间隔层数。”

1 水平变形控制策略——核心筒领先钢框架施工层数的确定

混合结构一般按“筒体先行,框架跟进”的程序施工,即核心筒先行施工一段楼层,然后再跟进施工外框架。在整个施工期间外框架进度总是落后核心筒若干层。计算表明[2],核心筒领先施工能够提前发展混凝土的徐变与收缩,从而减小柱、筒间的整体竖向变形差异。但计算同时表明,混凝土的徐变、收缩会引起连接柱、筒的钢框架梁产生很大的附加弯矩和剪力,给构件带来强度破坏的危险。另外,核心筒领先施工楼板的层数越大,结构在风荷载下的水平位移也越大。因此,在确定施工方案时,必须控制核心筒的领先施工层数。

1.1 经验估计

当结构的体型比较规则、简单,与当地已建工程在结构形式、高度上有较强的可比性时,施工单位可以根据以往类似工程的经验来确定核心筒的领先施工层数。表1列出了上海地区一些高层建筑结构施工时,核心筒领先框架的施工层数[3]。

表1 上海地区部分高层建筑核心筒领先外框架施工层数

1.2 计算确定

1.2.1 计算模型

把风荷载简化为沿结构高度线性变化的倒三角形线荷载,把施工期间的结构体系简化为如图1a)所示的平面模型,并分为两部分分别予以考虑:第一部分是钢框架已经施工完毕并已经浇筑楼板的部分,高度为 H(见图1b)),简称“完整部分”;第二部分是核心筒先行施工的部分,高度为 h(见图 1c)),简称“悬臂部分”。两部分均承受相应的静力风荷载,在连接截面处暴露出剪力V*、弯矩M*等内力。

当悬臂部分顶部风荷载的集度为 q,其完整部分顶部所受的荷载集度和内力为:

1.2.2 内力验算

施工期间,结构和内力不能超过设计限值。因此,可以通过施工阶段的水平受力验算,来估计核心筒的领先施工层数。选取完整部分顶点处作为考察对象,此时控制方程为:

其中,V*,M*分别为计算模型中完整部分施工到高度 H处时,完整部分顶部的剪力和弯矩值;V0,M0分别为在设计阶段得到的相应部位的剪力与弯矩设计值。

将式(1b)和式(1c)代入式(2a)和式(2b),就得到按内力控制时的核心筒领先施工高度(按下式计算取较小值):

1.2.3 变形验算

当确定施工方案进行粗略估算时,可以忽略悬臂部分的弯曲变形。由于刚度发生突变,层间转角在悬臂部分与基本部分的交接层会达到最大值。因此可只验算此截面处的位移值是否超过设计值。《高规》规定,框架—核心筒的楼层最大层间位移与层高之比(层间转角)Δu/h限值为:

1)当建筑高度在150 m以下时,Δu/h≤1/800;2)当建筑高度在250 m及以上时,Δu/h≤1/500;3)当建筑高度在150 m～250 m之间时,限值在1),2)的规定之间按建筑高度线性插值。

结构体系越往上施工,所受的风荷载越大,同时结构体系的悬臂高度也越大。这样核心筒领先施工高度在上部层比在下部层小。因此,整个施工期间,核心筒的领先层数不是一成不变的。

2 竖向变形差引起附加内力控制策略——水平连接构件二次施工

竖向变形差会引起连接竖向承重构件的钢框架梁产生附加内力,在某些支座处,这些附加内力与正常使用期间荷载产生的内力反号,因而会给梁的结构安全带来隐患。为减小这一影响,在施工中梁先不与竖向承重构件刚性连接,使其成为不承担荷载的可变机构,使早期竖向变形自由发展。当施工到一定阶段,通过计算与现场实测,判断竖向变形差异已部分完成后进行二次终拧施工,完成最终的连接。

为提高结构体系的侧向刚度,减少水平变形,在某些超高层混合结构中常在核心筒与外框架之间设置水平刚臂(加强桁架)。水平刚臂具有很大的侧移刚度,当产生竖向变形,尤其是由于混凝土的徐变、收缩引起的荷载重分布,使水平刚臂在两部分之间传递竖向荷载,而使自身增加了额外的内力。按照与钢框架梁相同的思想,也可以根据柱—筒之间的竖向变形差发展情况选择水平刚臂的终拧二次施工时间。例如在金贸大厦的施工当中,在水平加强桁架中引入结构钢销,在安装过程中,装入此销,使桁架在施工期间很长一段时间内变成自由移动构件,销子放在水平构件的圆孔中。在相对位移完成大部分以后,将螺栓紧固并焊接,即在竖向变形基本稳定后再实现刚性连接[4]。

3 结构体系减小竖向变形差的设计构造策略

在结构体系合适的位置,可以利用竖向和水平构件的少量柔性连接来“释放”由于混凝土徐变收缩及温度效应所引起的附加应力。承重构件与非承重构件之间的柔性连接可避免承重构件将附加应力传给非承重构件,通常在框架与隔墙、框架与幕墙之间采用柔性连接,以避免附加应力引起的开裂。

如图2所示的钢框架柱节点,这种节点允许竖向的自由伸缩,但横向受到约束,可以传递剪力。例如洛万斯特中心(Norwest Centre)工程,楼高57层,全部竖向荷载由SRC巨型柱承担,通过每5层设置这样的节点,把累积竖向变形差限值在5层内,同时还避免了巨型柱由于弹性变形、徐变和收缩引起的竖向变形可能使内部钢柱压屈。

4 结语

1)以控制施工期间混合结构体系在风荷载下水平变形和内力为目标,建立了确定核心筒的领先钢框架施工层数的方法。2)连接竖向承重构件的水平连接构件进行二次施工,可以有效减小竖向变形差引起的附加内力。3)在结构体系合适的位置,可以利用竖向和水平构件的少量柔性连接来“释放”由于混凝土徐变收缩及温度效应所引起的附加应力。

[1] JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] 陈 灿.混合结构体系施工期间竖向变形计算[J].华中科技大学学报(城市科学版),2009,26(3):102-106.

[3] 上海建设和管理委员会科学技术委员会.上海高层、超高层建筑设计与施工、结构设计[M].上海:上海科学普及出版社,2004:15-100.

[4] 罗文斌.超高层建筑结构竖向变形差的分析与控制[D].西安:西安建筑科技大学硕士学位论文,1999:57-60.