超高层框架—核心筒结构中混凝土的徐变与收缩分析

孙吉朋

摘要： 以成都市某超高层框架-核心筒结构为例，通过ETABS软件建立相关模型并施加荷载，分析了结构内部混凝土徐变和收缩沉降引起的梁的附加弯矩和剪力对结构产生的附加作用。结果表明该结构中混凝土的收缩和徐变差异性较小，在施工过程中采取一些补偿措施即可消除混凝土收缩和徐变产生的影响。

Abstract： Take a super high-rise frame-core tube structure in Chengdu as an example， and set up the model by ETABS software and apply loads， to analyze the additional effect on the structure because of the additional bending moment and shear force of the beam caused by the concrete creep and shrinkage settlement of the internal structure. The results show that differences of the shrinkage and creep of concrete in the structure are small， and the effect of shrinkage and creep of concrete can be eliminated by taking some compensation measures in the construction process.

关键词： 超高层结构；框架-核心筒；徐变；收缩

Key words： super high-rise structure；frame-core tube；creep；shrinkage

中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）03-0112-02

0 引言

为了满足人们对高层建筑日益增长的需求，框架-核心筒结构应运而生。框架核心筒结构是由核心筒和外框架组成的。核心筒一般采用钢筋混凝土剪力墙，并在核心筒剪力墙底部设置内埋型钢，外框架柱通常采用钢筋或钢管混凝土柱。核心筒结构的外框架柱与核心筒剪力墙之间通常会存在由于竖向压缩产生的弹塑性变形，而结构中混凝土的收缩和徐变会使压缩变形进一步发展[1-2]。本文以成都市青羊区商贸中心为例，应用有限元软件分析结构中混凝土徐变和收缩产生的不均匀沉降对楼层弯矩及剪力产生的作用，进而判断混凝土收缩和徐变对该工程整体产生的影响。

1 工程概况

拟建工程位于成都市青羊区，为一座超高层商贸中心，主体结构为框架-核心筒结构，地上64层（地下5层），顶部另有装饰性结构，主楼结构屋顶高261.4m。地下室主要为商场、配电室及停车场，其局部区域设置为战时人防地下室。主楼右侧拟建一座层高为30m的6层裙房，结构与裙房连为一体。

2 徐变与收缩分析

外围框架柱与核心筒剪力墙之间的相对竖向位移是由上部竖向结构体在自重应力下产生的瞬时弹性压缩引起的[3]。在超高层框架-核心筒混凝土结构内，除了弹性压缩以外，随着时间的增加，混凝土的徐变和收缩也会增加相对竖向位移[4]。

对拟建工程进行分析，应用ETABS软件建立模型（图1）研究在基于假设的施工时间内，J05和G8（见图2）上的框架柱以及中心核心筒剪力墙在长期荷载作用下（100%恒荷载、80%附加恒荷载及20%活荷载）每个楼层中的不均匀沉降、弯矩和剪力，并计算了柱与墙的高度校正来弥补到当时为止已发生的徐变及收缩[5]。

3 相对沉降和附加弯矩

对两根典型的梁-连接轴线J05处的框架柱与核心筒的梁，以及连接轴线G8处的框架柱与核心筒的梁进行研究。在第3层（型钢混凝土梁）并每隔五层（钢筋混凝土梁）检查梁的设计。在重力荷载作用下，竖向构件的瞬时弹性、徐变及收缩产生的相对竖向沉降是影响结构稳定性的重要因素。应用Visual Basic/EXCEL得到结构内部的徐变和收缩沉降，由沉降引起的弯矩可由ETABS软件进行计算，时间设定为梁的施工日到第一万天之间，计算核心筒与外框架柱之间的相对沉降。表1列出核心筒与框架柱之间的不均匀沉降。最大相对沉降位于第64层（J05柱与核心筒之间为48.44mm，G8柱与核心筒之间为50.85mm）。

框架柱与核心筒剪力墙由梁连接。二者之间的相对沉降会在梁内额外增加弯矩和剪力，因此需要对附加荷载下梁内额外增加的弯矩和剪力进行校核，梁可设计为双向两端固定的梁。

假定混凝土的弯矩惯性会减至50%，与国外采用的35%相比更为保守。由不均匀沉降造成的附加弯矩如表1所示。可以看出最大附加弯矩位于第64层（连接J05柱与核心筒的梁为306kN·m，连接G8柱与核心筒的梁为427kN·m）。因为钢材的弹性模量较大，第3层的型钢混凝土梁内的附加弯矩明显大于每隔五层的钢筋混凝土梁。

4 梁的设计

梁的总内力需要量可由徐变和收缩引起的附加弯矩和ETABS分析得出的内力组合计算得到：工况1：1.15D+CSadd+1.3L+1.28W；工况2：1.2（D+0.45L）+1.1CSadd+1.2E+0.3W。CSadd是徐变和收缩引起的内力变化。各层梁的最大弯矩和剪力如表2所示。钢筋混凝土梁的最大剪力和弯矩位于第64层，第3层的型钢混凝土梁支撑的剪力和弯矩比钢筋混凝土梁大。

从分析中可以看出，核心筒和框架柱在施工过程中以及施工后都发生了较为明显的竖向沉降，但其相对差异并不大，不会造成大的内力锁定，因此不会对结构造成明显影响，但仍需在施工过程中采取补偿措施[6]。

5 结论

框架柱与核心筒剪力墙之间的不均匀沉降使得梁内产生了附加弯矩和剪力。部分楼层的总弯矩中有超过50%来自附加弯矩。除第5层外，梁的控制弯矩和剪力都位于连接框架柱的一端。梁的弯矩和剪力需要量随高度增加而增加。由于钢材的弹性模量较高，在型钢混凝土梁内产生了较大的附加力。为调整弯矩和剪力的抵抗能力，需要调整梁的纵向筋直径和数量，但典型梁的设计尺寸无需调整即可支撑附加力的需求量。

参考文献：

[1]赵汉青，贺世伟，潘文，等.高层框架-核心筒结构考虑加载方式及混凝土收缩徐变影响下的竖向位移差分析[J].科学技术与工程，2012，12（12）：3005-3009.

[2]董松，闫维明，贾洪，等.超高层钢管混凝土柱框架-核心筒结构施工阶段收缩徐变分析[J].施工技术，2014（16）：102-107.

[3]尧国皇，于清.高层钢管混凝土框架-混凝土核心筒混合结构的竖向变形差分析[J].建筑钢结构进展，2014，16（1）.

[4]张文华，黄忠海，刘付钧，等.超高层框架核心筒结构混凝土长期收缩徐变效应分析[J].结构工程师，2016，32（1）：169-175.

[5]丁洁民，王世玉，吴宏磊.黏滞阻尼伸臂桁架在超高层结构中的应用研究[J].建筑结构学报，2016，37（s1）：48-54.

[6]梁富华，韩建强，甘海峰，等.超高层框架-核心筒结构竖向变形差的实测与分析[J].建筑结构学报，2016，37（8）：82-89.