混凝土核心筒与外钢框架安装误差模拟分析及控制.pdf

浙江建筑， 第 2 7卷， 第 6期 ， 2 0 1 0年 6月 ， - Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n ，V o 1 2 7 ， N o 6 ， J u a 2 0 1 0 混凝 土核心筒与外钢框 架安装误差模拟分析及控 制 Si mu l a t io n An a l y s i s a n d Co n t r o l o f t h e I n s t a l l a t i o n Er r o r o f t h e Co n c r e t e Tu b e a n d t h e Ou t e r S t e e l F r a me 赵 滇 生 ， 吴俊 杰 ， 楼巍 Z H A O D i a n s h e n g ，WU J u n - j i e ， L O U ( 浙江工业大学建筑工程学院 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4) 摘要： 高层建筑中常用-混凝土核心筒一 外钢框架结构 ， 由于两种材料不同的应力水平和变形性能、 混凝土的收缩、 徐变等因素 都会导致两种结构之间的竖向变形差异 ， 从而影响结构的受力性能 。考虑混凝 土收缩、 徐变等 因素 ， 采用有 限元分析 了混凝 土核 心筒 外钢框 架结构 的安装误差产生过程及其大小 ， 进而提 出相应 的误差控制方法和施工建议 。 关麓词 ： 混凝土核心筒 ； 有 限元法 ； 安装误差 ； 收缩 ； 徐变 ； 竖向变形 中图分类号 ： T U 3 9 8 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 2 30 4 我国高层钢结构建筑应用 日益广泛 ， 结构体系 常采用混凝土核心筒一 外钢框架结构 这种结构的 竖向荷载主要 由钢框架承担 ， 而绝大部分的水平荷 载由混凝土核心筒承担 ， 有利于充分发挥钢结构和 混凝 土结 构 的各 自优 点 。 由于两种材料 的性能差异 ， 混凝土核 筒和钢 框架在施工过程中不可避免地存在安装误差和变形 差， 以及相应 的结构附加内力等问题 ， 从而产生水平 构件的倾斜和附加应力、 墙体开裂 、 电梯井受损、 管 道损坏 、 幕墙破损等不利影响 。 目前钢结构施工 质量规范对单个构件的制造误差和安装误差有设计 和施工的限制 ， 但对高层混合结构的竖 向变形及其 变形差并没有限制 。钢结构施工企业对这种变形控 制也 各不 相 同。 为深 入 了解 和 掌握竖 向变形 及 其变形 差对 钢结 构设计施工和受力性能的影响 ， 本文利用有限元程 序 A N S Y S ， 考 虑结构在 竖 向荷载以 及混凝 土 的收 缩 徐变作用下 ， 模拟分析混凝土核心筒_ 夕 钢框架 结构的安装误差 ， 并提出相应 的工程误差控制方法 和建议 。 材料模型与单元模型 1 1 建 立有 限元 模 型 在实际施工过程中， 一般是混凝土核心筒较外 钢框架结构超前施工若干层 。竖向荷载逐层施加 ， 并随之产生相应 的钢柱、 核心筒的压缩变形。完成 一 层施工后 ， 为控制楼层的设计标高， 要根据施工的 实 际尺寸 ， 进 行 一定 的 找平 ， 补 偿 已发 生 的压缩 变 形 。 为了尽量真实模拟施工情况 ， 本文分析 中将竖 向荷 载 随施工 过 程 逐 层 施 加 到 混 凝 土核 心 筒 外 钢 框架 结构 的空 间模 型 上 ， 并 考 虑每 个 施 工 阶段 施 工 找平的影响， 最后叠加在一起 ， 得到结构总的竖向变 形值。采用分层加载和叠加 的原理， 对结构进行分 析， 得出结构安装误差的相应数据 。 算例模型的平面布置见图 1 结构层高3 0 m， 向、 y向柱 距分别为 8 m、 6 m。因为 实 际工 程 中 ， 钢 柱一般 以三个楼层为一个制作和安装单元 ， 故 本文 在建模时把三个楼 层的钢柱取 为一个施工段进行 分 析 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0一 O 32 5 作者简介： 赵滇生( 1 9 5 7 一) ， 男， 浙江义乌人， 副教授， 研究方向为钢结构和空间结构。 浙江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 钢柱 主粱 核心筒 0 0 _ 0 8 一 0 8 _ _ 业 _ _ 图 1平面布置 图 在单元类型的选择上， 外钢框架柱、 主梁、 次梁均 采用梁单元 B E A M1 8 8 ， 钢柱截面形式为焊接箱形 ， 以 每 3个标准层 即9 n l 长为一段 ， 主梁 、 次梁截面形式 均为焊接工字形， 主梁截面为 6 0 0 4 0 01 21 6 ， 次 梁截面为 4 5 0 3 0 01 01 4 ， 材料 均 为 Q 3 4 5 ， 弹性模 量 2 0 6 1 0 “N m ， 泊松 比0 3 ， 质量密度 7 8 5 0 k s m ； 混凝土核心筒和楼板均采用壳单元 S H E L L 6 3 ， 楼板 材料 为 C 3 0， 弹性模 量 3 01 0 N m ， 泊松 比 0 2 ， 质量密度 2 7 0 0 k g m ， 楼板厚度 1 2 0 mm； 其余计算 模型构件的参数见表 1 。 表 1构件参数表 该模 型 的力学 计算 简 图立 面见 图 2 ( 以 3 O层 为 例 ) 。采 用 不 同层 数 的模 型 进 行 数 据对 比， 取模 型 的总 高度 分 别 为 3 O层 ( 9 0 m) ， 5 0层 ( 1 5 0 m) ， 7 0层 ( 2 1 0 m) 。 本 文 主 要 分 析 结 构 在 正 常 使用状态时 重力荷 载作用 下 的 变形 ， 根据 建筑 结构荷 载规范 ( G B 5 0 0 0 9 - 2 0 0 1 ) 取 重 力 荷 图 2 3 0层模 型圈 载的标准值计算 。所有构件均考虑 自重 ， 周边 的框 架梁还计人外墙线荷载， 楼板考虑 了施工活荷载 的 作用 。 1 2对 于收缩 、 徐 变的模拟 分 析认 为外 钢 框 架 只 有荷 载作 用 下 的 弹 性 变 形 。而核 心筒 以混 凝 土结 构 为 主 ， 不 仅 有荷 载 作 用 下 的弹性 变形 ， 还必须 考虑 收缩 、 徐变所 引起 的非 线 性变形 增 长 。因此需要 考 虑这种 变应 力作 用下 的混 凝土 收缩 、 徐 变 的影 响。 本文对 于混凝 土 的收缩 、 徐 变采 用 欧洲规 范 C E B - F I P MC 9 0中的计算参 数 。 混 凝土 t 时刻 的徐 变应 变 ： 。 。( t ， t 0 )= 币( t ， t 0 ) i ( t o ) ( 1 ) 混凝土 t 时刻的收缩应变： 占 。 。 ( t ， t 。 )： 占 。 。 。 卢 。 ( t t 。 ) ( 2 ) 式 中： ( t ， t 。 ) 一混凝土徐变系数 ； ；( t 。 ) 一 龄 期 t 。时混凝 土 的弹性应 变 ； 6 c s o 一名义收缩系数 ； 卢 。 ( t t ) 一收缩应变随时间变化的系数。 在 A N S Y S有限元模拟 中， 可以通过对结构的降 温来 近 似模拟 施工 过程 中混凝 土 的收缩 和徐 变 徐 变 与应力 水平 、 初 次加载 龄期 、 弹性 变形 量等 因素均 有关 ， 需要等结构弹性静力分析完成后 ， 再施加降温 措施 来确 定 。因收 缩 和徐 变 都 随 着 时 间 变化 ， 因此 施加 在混凝 土 核心筒 上 的温度 也需要 随着 施工 步骤 而变 化 。 1 3 有 限元计 算结 果分析 混凝 土 核心 筒 或 钢柱 上 某 一 点 的竖 向变 形值 ， 是该点 以 下 部 分 的结 构 发 生 竖 向 变 形 的 累 计 值 。 A N S Y S分析 中， 活单元在计算 中所产生的变形 ， 会 引起尚未施工部分的死单元产生刚体位移。由此得 到的数据也符合实际工程情况 ， 实际工程 中每层的 变 形包 含 自身 压缩 变形 及 以下所 有各层 压缩 变形 引 起的刚体位移 ， 在设计 和施工过程中的安装误差是 一 个 逐层 累积 的结果 。 混凝 土核 心筒 的竖 向变形 值 ， 以混凝 土 的收缩 、 徐变值为主， 荷载作用为次 ， 其累计竖向变形值 绝对值见图 3 。 羹 姜 詈 县 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 O 4 5 5 0 5 5 6 0 顿心筒竖向变形值 c m 图 3混凝土核 心筒竖向变形值 加 硌 H j m 8 6 4 2 O 第 6期 赵滇生等： 混凝土核心筒与外钢框架安装误差模拟分析及控制 外钢框架柱的竖向变形值大小 ， 以同一层核心 筒周 围钢柱的轴向变形平均值为准， 其累计竖 向变 形值 绝对值见图 4 。 冀 姜 拳 薹 0 1 0 2 O 3 O 4 0 5 O 钢柱竖向变 t A s m m 图 4外钢框架柱竖 向变形值 混凝土核心筒与外钢框架柱的变形差异， 即安 装误差 ， 定义其值 6等于混凝土核心筒 的变形绝对 值 减去 外钢 框架 柱 的变形 绝对 值 ， 见 图 5 。 重 姜 詈 薹 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 核心 筒与外 钢框架柱 竖向变形差 8 ra m 混凝土核心筒与钢柱竖向变形差异 需要说明的是这些曲线上 的各点数值 ， 是某一 层 高 上在某 一 固定 时 间 的竖 向变 形 值 ， 也 就 是 混凝 土收缩 和徐 变 发展 到某 一 阶段 时 的变 形 量 。 因此 ， 该数值并不是一成不变的， 随着时间的推移 ， 该数值 还 会有 小量 的波 动 。 中间跨 钢柱 的平 均弹性 应 变 s的绝 对值沿 楼层 高度的分布见图 6 。 以5 0层模型为例， 底层、 1 5层、 3 0层和 4 5层的钢 柱在楼层荷载逐层施加的过程中的应变变化见图7 。 假定外钢框架每一层构件均在设计标高或 目标 坐标上安装。结构某一点的竖 向位移 i ， 可由该点 施工之后下部结构 的压缩应变 乘以下部结构的高 度 h所 得 。从 图 3 图 4和 图 5中可 以看 到 ， 所 有 曲 0 l 2 3 4 5 6 7 8 钢柱轴向平均应变 s ( X 0 0 0 0 1 ) 圈 6 钢柱平均应变沿高度分布 0 1 2 3 4 5 6 钢柱应变s ( 0 0 0 0 1 ) 图 7 不 同层钢柱 沿加载过程的应变变化 线均呈拱形 ， 两头小 中间大。沿着结构高度 ， 竖 向 变形先变大后 变小 ， 这符合结 构实际 的变形规律 。 处于结构顶部的楼层柱 ， 由于 自身承受荷载及对下 部结构施加的荷载均不大， 尽管下部结构高度 h很 大 ， 但它所引起的下部结构的应变 很小， 所以总变 形很小 ； 处于底部 的楼层柱 ， 虽然承受荷载较大 ， 应 变 较大， 但是其离地面的高度 h较小 ， 所以总变形 也很 小 。结构 最大 变形 大约发 生在 结构 高度 的 中间 部位 ， 见 表 2 。 表 2 各结构 部位 的最 大变形值( 单位 ： mm) 在 实 际 工程 的施 工过 程 中 ， 混凝 土 核 心筒 浇 注 一 般超前于钢框架安装， 文献 5 认为 ， 混凝土核心 筒超前外钢框架施工 的楼层越多， 其收缩和徐变完 成得越充分 ， 相应 的核心筒与相邻钢柱 的竖向变形 差也越小。另外 ， 随着混凝土核心筒配筋率的增大 ， 也 会减 小混 凝土 收缩 和徐 变 产生 的位 移 ， 从 而 减小 M 碍 1 9 6 3 O 一 H瑷 一 状随n H 柏 加 ： 。 m， 0 踏 l罄曩 堪 ：m 8 6 4 2 O H ! 8 6 4 2 2 6 浙江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 安装误 差 。本文在 模 型计算 中考 虑的是 最不 利 的施 工工 艺过程 。 2 工程对 策 为了减小混合结构的安装误差对结构和使用的 影响， 本文根据有限元模拟分析的结果， 从建筑材料、 结构设计和施工方面提出一些工程施工工艺建议。 2 1 建筑材料 底 部几层 可采用 型钢 混凝 土增 大框架 柱 的轴 向 抗压刚度 ， 减小 弹性压缩量 。混凝土材料应避免过 大的水灰 比和灰浆率 ， 合理使用减水剂 以增加混凝 土的强度。为减小混凝土的收缩和徐变 ， 尽量增加 弹性模量较大的骨料含量 ， 采用高强混凝土， 且需对 混凝土采取合理的养护方法。 2 2结构设计 采用合理的柱 网平面布置和柱截面形式 ， 使各 柱 轴压 比尽 量趋 于 一 致 ， 并适 当增 大 混凝 土核 心 筒 的配筋率。在核心筒与钢框架梁连接处 ， 宜采用铰 接或柔性节点以适应结构 的安装误差 ， 即利用少量 柔性连接来释放 由安装误差引起 的次应力 和次弯 矩 ， 待相对位移基本完成后再实现刚接 ， 见图 8 。另 外 ， 还可 以在混凝 土 核 心 筒周 围与 楼 板 连接 处 设 后 浇 带 ， 减小 楼板 中引起 的次应 力 。 一 、 图 8先铰接后刚接示意图 2 3施 工 下 料 与 施 工过 程 制作钢柱下料时预 留压缩量 ， 保证在建筑使用 过程 中减小 竖 向变 形差影 响 。如大 连世 界贸易 大厦 考虑重力荷载和混凝土收缩徐变后 ， 钢柱与混凝土 核心筒累计竖 向变形差为 4 4 4 m m， 平均每 3个楼 层 一个施 工段 钢柱需 要 考虑 2 m m 的压缩 量 。核 心筒超前外钢框架施工若 干层 ， 使混凝土核 心筒与 钢结构相连形成超静定结构之前完成大部分的早期 收缩， 并使初次加载 时混凝 土强度较高 ， 以减小徐 变。尤其对于设置外伸刚臂的结构， 因对安装误差 很敏感 ， 使用这种先静定结构再超静定结构的分步施 工法 ， 将会显著减 小结构安装误 差和结构 附加 内力。 关于这种高层混合结构的施工技术， 常需要采 用一整套完整的焊接与安装方法。文献 6 详细介 绍了高层混合结构的施工技术 ， 但安装误差仍 由经 验控制 ， 未给 出变形计算或现场实测数据。 2 4钢 结 构施 工变形预 调值 法简介 钢结构施工变形预调值包括构件的加工预调值 和安装预调值。它是通 过各种数值计算 方法求 得变形 ， 再把计算所得的变形值预先反号加到结构 构件尺寸上 ， 以补偿施工过程 中构件 的变形 。该变 形预调值亦沿着结构高度呈现出两头小、 中间大的 趋势。在施工过程 中， 水平构件必须在对应高差下 安装 ， 才能保持水平， 准确达到设计标高， 见 图 9 。 普通安装法 预调值安装法 图 9变形预调值法 3 结 语 筒壁 本文 分 析 了钢 材 和混 凝 土 材性 的差 异 、 混 凝 土 的收缩 、 徐 变 、 施 工 顺 序 对 混凝 土 核 心 筒- 夕 钢框 架 结构 的安装 误差 的影 响 。根 据 实 际 工程 情 况 ， 提 出 以下几点施工建议 ： ( 1 ) 结构 中间层附近安装误差最大 ， 需预 留变 形量也最大 ， 连接混凝土核心筒 的钢梁两端宜先铰 接 ， 最后 实 现刚接 ； ( 2 ) 由于钢柱 的应变沿结构高度递减 ， 可把钢 柱按施 工段 沿应 变趋 势 预 留遂 段递 减 的压 缩 量 ， 再 进行安 装 ； ( 3 ) 混凝土核心筒材料宜采用高强混凝土 ， 并 适当增加核心筒的配筋率 ； ( 4 ) 混凝土核心筒浇注应超前钢结构安装 3 9 层较为合适 ； ( 5 ) 在施工 过程 中宜对 安装误 差进行 严密监 测 ， 结构施工完成后宜长期观察 ， 为检验结构计算理 论提供事实依据 。 ( 下转第2 9页) 核心筒壁 第 6期 姜叶翔： 某深基坑坑内土体纵向滑移事故分析及处理 2 9 ( 3 ) 基坑 内坡顶土体卸载 ， 清理过程 中先清理 出支撑位置并及时架设钢支撑 ； ( 4 ) 恢复已滑落的支撑体系 ， 并及 时施加预应 力 预加轴力为设 计轴力 的 8 0 ， 根据 轴力损失及 基坑监 测 变形情 况 再 对 支撑 轴 力 进 行 复 加 ， 拆 除 折 断损坏 的一根钢筋混凝 土支撑 ， 利用 4根钢支撑进 行替换 ， 对 受 损 的 钢 筋 混 凝 土 支 撑 破 损 部 位 进 行 加 固 ； 一 ( 5 ) 在本 次 土体 滑 移 过 程 中处 于坡 面位 置 的 6 根 中立柱受到土体剪切破坏并失去作用 ， 考虑到中 立柱主要作用为第一道钢筋混凝土支撑减跨 ， 中立 柱 的破 坏将影 响 到钢 筋 混 凝 土 的 支撑 作 用 ， 因 而在 无中立柱作用的第一道钢筋混凝土支撑两侧新增 2 根 钢支撑 补强 。 经过 以上一系列的措施之后 ， 基坑基本稳定 ， 未 出现新的险情 ， 处于稳定和安全状态。 4体会及建议 ( 1 ) 对 于地 铁 基 坑 工 程 ， 第 一 道 支撑 方 案 建 议 采用 现浇 钢筋 混凝 土 支撑 ( 中部 设 置 纵 向混 凝 土 连 系梁) ， 以增强基坑整体 刚度 ， 并为基坑 隐患预 留安 全储备 ( 此次纵向滑坡之所 以未造成基坑倾覆的重 大的事故 ， 从某种意义上说正是第一道钢筋混凝土 支撑起 了保护基坑安全 的关键性作用) ； ( 2 ) 纵 向 土 坡 的坡 率 不 能 一 概 笼 统 地 定 义 为 1： 3 。 虽 然在 江浙 软土 地 区 ， 1： 3是 一 个 经验 坡 率 ， 但是针对个别土层 ( 如与本工程 1淤泥质黏土 、 2淤泥质粉质黏土相类似的情况) 应具体分析 ， 而降 水质量能得到保证的砂土、 老黏土， 可以适当放宽； ( 3 ) 坑 内开挖面以上土体切割、 分 离坡体 的地 质构造越发育( 如本工程开挖部分处存在部分粉土 切割 淤泥 质黏 土 ， 形 成 “ 千层 饼 ” ) ， 形 成滑 坡 的规 模 往往也就越大越多 ， 应尽量在施工开挖期间对此层 土体采 取动 态监 测 ； ( 4 ) 对坑底上局部 高灵 敏度 的软黏土， 经技术 经济比较后 ， 可适 当采取改良加固措施 ； ( 5 ) 应充分考虑诱发滑坡活动 的外界 因素 ( 如 强烈地震、 特大暴雨 、 融雪、 冻融等 ) 存在 的可能性 ， 并在 施 工设计 中予 以考 虑 ( 如 对地 表 水 采取 有 效 的 隔离 、 抽排措施 ， 不可使其流入基坑内) 。 在基坑 的施工 过程 中， 人们 都非 常重视 围护 结 构 的变 形 、 坑 外 地 表 的 沉 降 、 坑 外 地 下 水 、 坑 底 承压 水 位 的 变 化 、 基 坑 周 边 建 筑 沉 降 以 及 坑 底 的 隆起等参数 变化情 况 ， 而往往 忽略 了坑 内土体 的 动态监测 。在今后 的工程 中必须 把坑内土体 的监 测也作为一项 同等 重要 的工作来 抓 并 且在施 工 过 程 中深 刻 认 识 当地 地 质 情 况 的 复 杂 性 、 气 候 的 多变性 以及周 边环境 的影 响和制 约因素 ， 更加 深 入 地 研 究 地 质 资 料 、 设 计 文 件 并 进 一 步 详 细 调 查 了解 周 边 环 境 情 况 ， 及 时 根 据 边 界 条 件 的 变 化 改 进和调整施工方 案及 预防控 制措施 ， 确保 基坑 和 周边环境 的安全与稳定 。 参 考 文 献 1 黄强， 杨斌 ， 李 荣强 ， 等 J G J1 2 0 - 9 9建筑基坑支护 技术规 程 S 北 京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 1 9 9 9 2 刘 国彬 王卫东 基坑工程手册 M 北京 ： 中国建筑工 业出版 社 2 0 0 9： 1 2 41 3 0 ( 上接 第2 6页) 参 考 文 献 1 】 P a r k H S O p t i ma l c o m p e n s a t i o n o f d iff e r e n t i al c o l u m n s h o r t e n i n g i n h i g h - r i s e b u i l d i n g s J T h e S t r u c t u r a l D e s i g n o f T a l l a n d S p e c i a l Bu i l d i n g s ， 2 0 0 3： 4 96 6 2 周绪 红 ， 黄湘湘 ， 王毅红 ， 等 钢框架- 钢筋 混凝土核心简体系竖 向变形差异补偿对结构性能 的影响 J 土 木工程学报 ， 2 0 0 6， 3 9 ( 4) ： 1 51 9 3 陈基 发， 胡德圻 ， 金新 阳， 等 G B 5 0 0 0 9 - 2 0 0 1建筑 结构荷 载规 范 S 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 6 4 T h o ma s T e lf o r d C E B F I P Mo d e l C o d e 1 9 9 0 ，C o mi t e E u r o I n t e r - n a t i o n a l D u B e t o n S 5 沈蒲生 ， 方辉 ， 夏心红 混凝土收缩徐变对高层混合结构 的影 响及对策 J 湖南大学学报( 自然科学版 ) ， 2 0 0 8 ， 3 5 ( 1 ) ： 1 5 6 闫兴隆 ， 高 平 大 连世界 贸易 大厦超 高层 钢结构 安装技 术 J 施工技术 ， 2 0 0 0， 2 9 ( 6 ) ： 68 7 刘学武 ， 郭彦林 钢结构施工变形预调值及分析方法 J 工业 建筑 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 9 )： 91 5