施工期混凝土框架柱竖向变形研究

陈梅桂

(中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安 710021)

1 研究背景

施工期的混凝土结构几何形状、材料物理力学特性以及施工荷载等各个方面都随时间而变化。混凝土结构是分时分段逐步浇筑，施工过程中需要模板和支架，建造中的暂态结构的几何形状和约束条件随时间发生变化，形成一个力学传递路径不断变化的时变力学结构系统［1］。收缩和徐变对于施工期的多层和高层混凝土结构荷载传递和结构变形是一个不容忽视的问题，罗文斌等［2］以构件在变荷载作用下的依时变形积分方程为基础，研究组合结构的竖向构件轴向缩短引起竖向变形差异。本文依据逐层叠加法［3］，将混凝土收缩和徐变效应等效为构件节点力对混凝土框架柱竖向变形进行分析研究。

2 施工期混凝土结构特征

施工期混凝土结构特征有以下几点:

1)暂态过程中几何形状和约束条件;

2)结构和构件的强度及刚度随时间变化;

3)混凝土收缩和徐变效应;

4)临时结构与时变结构共同承担自重和施工荷载;

5)不同施工阶段的施工荷载。

3 分析方法

混凝土结构的施工过程的计算方法应当完全依照实际施工过程，竖向荷载随施工过程逐层施加到结构上，赵西安［4］提出分别计算各层自重在整个结构模型中产生的内力和变形，再通过叠加法得到各层的内力和变形。本文采用的计算方法是竖向荷载应随施工过程分层施加于已建成的结构上，混凝土收缩和徐变对结构内力和变形的影响等效为等效徐变外力Fcr和等效收缩外力Fsh，最后再叠加在一起，得到总的变形和内力。计算步骤如下:

1)根据第i施工阶段建成时间确定各个构件的弹性模量取值，确定单元刚度矩阵;

2)由构件刚度矩阵和临时支护系统刚度矩阵计算总刚度矩阵;

3)由已建成的构件在第i施工阶段的应力史及建成时间，确定节点的等效徐变外力Fcr和等效收缩外力Fsh;

4)计算第i施工阶段的变形:

5)计算第i施工阶段各个单元的内力:

6)由单元内力确定第i施工阶段各个单元层的应变和应力，并且加以记录，建立单元应力史;

7)进入下一施工阶段;

8)如果结构施工过程完毕，则计算结构的最终变形和应力:

其中，Ki为第i施工阶段中结构的总刚度矩阵;ki为第i施工阶段中不完整结构的杆单元刚度矩阵;Ui为第i施工阶段中不完整结构的变力向量;Pi为第i施工阶段中结构的节点力向量;Ai为第i施工阶段中不完整结构的几何矩阵;Ni为第i施工阶段时不完整结构中杆件的内力向量。

4 计算简例

混凝土施工过程分析模型为一栋12层三跨剪力墙结构，层高3 m，跨径6 m，如图1所示，混凝土框架梁和柱的截面尺寸分别为300 mm×600 mm和450 mm×500 mm，混凝土框架梁和柱的配筋率分别为3%和5%;混凝土结构强度为C45，钢筋为HRB400;混凝土名义徐变系数和名义收缩应变的取值分别为2．5和3×10－4。施工过程中，混凝土结构每层自重27．5 kN/m，施工层临时模板支护自重10 kN/m，施工活荷载为6 kN/m。

4．1 不同分析方法计算结果比较

为了了解施工过程及混凝土收缩徐变效应对结构影响，分别建立四种模型:

1)考虑工序，不考虑收缩徐变效应;

2)考虑工序，考虑收缩徐变效应;

3)不考虑工序，不考虑收缩徐变效应;

4)不考虑工序，考虑收缩徐变效应。

其中计算模型1和2的施工工况:每层工期7 d，三层支模体系，21 d拆模，施工总工期为84 d。混凝土内外柱累积竖向变形分别如图2，图3所示。

图2 框架外柱竖向变形

图1 结构模型示意图（单位：m）

图3 不同分析方法框架内柱竖向变形

从图2和图3可以看出，不同的施工过程对混凝土框架柱的累积竖向变形有影响，对顶部的影响比底部的影响要大。考虑施工过程的影响，结构框架柱的最大变形发生在中部偏上。不考虑施工过程的影响，最大变形随楼层的增加而增加。混凝土的收缩徐变效应对混凝土框架结构的累积变形的影响是内柱比外柱的要大，考虑徐变效应竖向最大位移所发生的楼层比不考虑徐变效应的要高。

4．2 不同施工周期计算结果比较

为了了解施工周期对混凝土框架柱的影响，分别建立四种施工工况的计算模型，如表1所示。

表1 不同施工周期下施工工况 d

分析计算后，混凝土框架内外柱的累积竖向变形如图4，图5所示。由此可知随着施工周期天数的减少混凝土框架柱的累积竖向变形变大，最大累积竖向变形所处的层数增加。

图4 不同施工周期框架外柱竖向变形

图5 不同施工周期框架内柱竖向变形

从图4和图5可以看出，随着施工周期时间的减少，框架柱的累积竖向位移变大，最大位移所发生的层数也相应增加;施工周期为5 d和7 d时，结构底部竖向变形变化不大。

5 结语

1)施工过程对混凝土框架柱的竖向变形有影响，框架柱的竖向变形呈“两头小，中间大”的分布形式，最大累积变形发生在结构中上部。

2)混凝土的收缩徐变效应对混凝土框架柱的竖向变形有影响，对混凝土内柱比外柱影响大。

3)不同施工周期对混凝土框架柱的竖向变形影响为周期越短影响越大。28 d的施工周期的累积竖向变形的分布接近于不考虑混凝土收缩徐变效应的变形分布。

［1］ 田明革，易建伟．施工期混凝土时间效应数值分析［J］．铁道科学与工程学报，2008，5(5):28-32．

［2］ 罗文斌，张保印．超高层建筑S+RC混合结构竖向变形差的工程对策［J］．建筑结构学报，2002，21(6):68-73．

［3］ 田明革，易建伟．施工期混凝土结构逐层叠加分析方法［J］．中南林业科技大学学报，2008，28(3):98-104．

［4］ 赵西安．钢筋混凝土高层建筑结构设计［M］．北京:中国建筑工业出版社，1992:89-132．