五-(二)-核心筒整体变形控制.doc

二）、核心筒整体变形控制
在高层钢框架—钢筋混凝土核心筒混合结构中,由于框—筒竖向构件的材料不同、应力不同以及混凝土的收缩和徐变、施工安装的时间差、结构不同部位的温度差等影响, 将导致竖向构件之间的竖向变形差异, 其中钢构件的压缩大于混凝土构件的压缩。由于同一结构中不同竖向构件的材料特性及应力水平的差异，将导致这种混合体系产生显著的竖向变形差。根据国内外多个工程实测表明：若不包括温度变形，钢筋混凝土柱的弹性变形和徐变、收缩变形之和大约每400m高度可达100mm，徐变和收缩变形之和约为弹性变形的两倍。这些与时间和环境相关的变形将使结构随时间发生显著的内力重分布，也会给非结构构件带来不利影响，还可能影响设备的安装和使用。
高层建筑混凝土结构变形影响因素分析
变形分类
混凝土徐变
结构不同面温度差
风荷载影响
混凝土结构刚度
弹性形变
影响因素
材料、环境、应力条件
日照
风力
材料与结构形式
材料、荷载
为了能尽可能的控制核心筒的整体变形，我们应对各种变形的原因进行分析，找出对应的解决措施。
1、混凝土结构徐变
混凝土生产徐变的原因，一般认为是由于在长期荷载作用下，水泥石中的凝胶体产生粘性流动，向毛细管内迁移，或者凝胶体中的吸附水或结晶水向内部毛细孔迁移渗透所致。从水泥凝结硬化过程可知，随着水泥的逐渐水化，新的凝胶体逐渐填充毛细孔，使毛细孔的相对体积逐渐减小。在荷载初期或硬化初期，由于未填满的毛细孔较多，凝胶体的迁移较容易，故徐变增长较快。以后由于内部移动和水化的进展，毛细孔逐渐减小，徐变速度愈来愈慢。徐变是指在固定应力或荷载作用下，应变随时间的增长而继续不断发展的一种现象。它是一个复杂的物理和化学过程，将其主要原因:
1）在应力作用下、在吸附水层的润滑作用下，水泥胶凝体的滑动或剪切所产生的水泥石的粘稠变形。
2）在应力作用下，山于吸附水层的渗流或层间水转移而导致的紧缩。
3）由于水泥胶凝体对骨架(由骨料和胶体结晶组成)弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性变形。
4）由于局部破裂(在应力作用下发生微裂及结晶破坏)以及重新结晶与新的联结而产生的永久变形。
1.1混凝土徐变的影响因素
混凝土的徐变和许多因素有关。水灰比较小或混凝土在水中养护时，同龄期的水泥石中未填满的孔隙较少，故徐变较小。水灰比相同的混凝土，水泥用量愈多，即水泥石相对含量愈大，其徐变愈大。混凝土所用集料弹性模量较大时，徐变较小。此外，徐变与混凝土的弹性模量也有密切关系。一般弹性模量大者，徐变小。混凝土徐变还与集料级配、粗集料最大粒径、养护条件、受荷应力种类、温度等因素有关。根据混凝土徐变的机理，可得出影响混凝土徐变的主要因素:

混凝土结构徐变影响因素分析
影响因素
水泥品种
水灰比
骨料
养护条件
施工振捣
构件尺寸
温度、湿度
作用荷载
外加剂
影响方式
水泥品种对混凝土徐变的影响主要是通过它对水化作用速率的影响，从而影响到混凝土强度的发展速度以及混凝土加载时的强度大小，强度发展较快的水泥导致的混凝土徐变越小。
水灰比对徐变的影响有双重作用:当增加水灰比时，毛细空隙的增加导致混凝土强度降低，从而使徐变增加。同时，当增加水灰比时，混凝土的水泥浆含量增加，也将引起徐变增加。
骨料对徐变主要是约束作用。具有最大尺寸大、级配良好、形状合适的骨料的混凝土具有较低的水灰比和较低的水泥浆含量，这样使混凝土具有较小的徐变。

养护条件指的是养护环境的温度、湿度以及养护的时间。环境温度与湿度都将影响到水泥水化比的速度和程度，水化程度越低，水泥胶凝体就越密实，强度和弹性模量越高，从而混凝土的徐变越低。因而，可通过湿热养护或延长养护时二次预应力组合结构超薄梁及其试验研究间来减少徐变。
施工重复振捣可消除早期收缩所引起的内部应力，因此混凝土中的有效应力低于未重复振捣的有效应力。振捣可使水泥浆的强度增加。因此振捣可减少混凝土的徐变。

结构构件的尺寸将决定环境温度与湿度影响混凝土性能的程度。表面积/体积比值大的水分散失要大些。对于尺寸的影响，规范中一般以“有效厚度”或“理论厚度”来考虑。理论厚度越大则徐变越小

相对湿度越低、环境温度越高，混凝土的徐变就越大。
加载龄期愈早，混凝土强度愈低，徐变就越大。土持续应力小于0.5 Ro时，应力与徐变变形成正比，当应力大于0.5 Ra时，徐变变形比应力增长更快，应力与徐变不再保持线性关系。当应力接近Ra时，则徐变变形没有终极值，此时徐变不断增加直至混凝土破坏。
减水剂具有表面活性作用，可以在不增加用水量的情况下提高混凝土的和易性，或保持同样和易性的情况下降低水灰比，减少用水量。普通减水剂一般可增大徐变值，而超级减水剂根据试验资料对混凝土的徐变没有明显的影响。此外，促凝剂一般增大混凝土的徐变，混凝土中的空气含量大，也会增大混凝土的徐变.

1.2混凝土收缩
混凝土的收缩和徐变密不可分，两者同时对结构的长期变形产生影响，不能把两者完全孤立开。收缩是不依赖于荷载的一种变形，而徐变是依赖于荷载的一种变形。混凝土的收缩和徐变对钢筋混凝土结构的变形影响较大，尤其是收缩会引起比较大的附加变形。

1.3解决方法
对于超高层结构的竖向变形差异问题，可以从材料和结构两个方面来拟定解决方案。从问题的本质来讲，控制徐变与收缩应首先从混凝土材料本身着手，调整混凝土的组成材料及配合比，采用合理的养护方法，尽量减小混凝土的徐变和收缩：
钢筋混凝土徐变和收缩控制方法比较
控制原理
减少混凝土在施工过程中由于温差过大产生膨胀与收缩
防止温度梯度产生峰值，使膨胀与收缩的应力达到最高值，裂缝加大
减少由于热胀冷缩产生结构裂缝及提高抗渗能力
减少温度梯度，使膨胀与收缩更均匀
改善混凝土和易性，提高混凝土的抗拉强度，减小混凝土徐变和收缩量
控制方法
降低混凝土中水泥在水化过程中的水化热，减少水灰比
延长混凝土初凝及终凝时间，水泥在水化的总发热量是个常数，延长升温与降温时间避免温度剃度产生峰值
合理选用混凝土粗细骨料，水灰比，掺适量微膨胀剂，缓凝剂，使结构产生自应力，来提高混凝土的抗拉能力
加强混凝土的养护：根据不同的施工季节可以采用不同的方式，夏季可以采用草帘覆盖，洒水、浇水养护，浇水养护时应注意水温的控制；冬季可以采用保温材料和塑料薄膜覆盖，喷刷养护剂进行养护。
严格控制水灰比，水是影响混凝土收缩主要因素，采用减水剂、减少水灰比
施工过程中的控制方法也可分之为两类，一类可称为被动适应方法，另一类可称为主动补偿方法。被动方法是先施工徐变量较大的构件，待这些构件完成大部分徐变后再施工与之相连、相邻的构件。
本工程采用的核芯筒_外钢框架体系，混凝土芯筒常采用滑模施工，芯筒施工超前周边钢框架的安装和楼盖体系的施工。考虑施工工期和施工操作面的要求，同时考虑到使核芯筒混凝土“提前”完成大部分的徐变，本工程67层以下核心筒超钢管柱9层，钢管柱超前楼盖体系6层；67层以上核心筒超钢管柱6层，钢管柱超前楼盖体系4层。

如果为了提高施工的整体进度缩短芯筒与周边钢框架之间时间差，可以采用主动补偿方法。周边钢结构柱在下料时考虑到由于弹性压缩及混凝土徐变而产生的竖向变形差，以10层为一段调整柱的长度，分层计算各柱的预调整值，使各层的竖向变形差控制在很小的范围内，不至于给结构造成太大影响。当然，被动方法和主动方法在施工中可以同时使用。由于核心筒剪力墙的施工周期较长，从2007年1月31日持续至2008年11月20日，共计655天，且混凝土剪力墙底部在自重下的应力水平达到0.3以上，因此需要考虑混凝土的徐变对结构变形的影响并加以控制。
根据对混凝土剪力墙徐变计算分析，自重作用下剪力墙的总体徐变量达到148mm。

楼层高度（m）
所在层高度（m）
混凝土应力（N/mm2）
剪力墙强度（N/mm2）
工期（d）
徐变变形（m）
塔顶
3.375
432
0
23.1
655
0
103
3.375
428.625
0.084375
23.1
648.7
2.47E-05
102
3.375
425.25
0.16875
23.1
642.4
4.93E-05
101
3.375
421.875
0.253125
23.1
636.1
7.4E-05
100
3.375
418.5
0.3375
23.1
629.8
9.86E-05
99
3.375
415.125
0.421875
23.1
623.5
0.000123
98
3.375
411.75
0.50625
23.1
617.2
0.000148
97
3.375
408.375
0.590625
23.1
610.9
0.000173
96
3.375
405
0.675
23.1
604.6
0.000197
95
3.375
401.625
0.759375
23.1
598.3
0.000222
94
3.375
398.25
0.84375
23.1
592
0.000247
93

3.375
394.875
0.928125
23.1
585.7
0.000271
92
3.375
391.5
1.0125
23.1
579.4
0.000296
：
：
：
：
：
：
：
：
：
：
：
：
：
：
15
4.5
72
9
35.9
94.3
0.002256
14
4.5
67.5
9.1125
35.9
88
0.002284
13
4.5
63
9.225
35.9
81.7
0.002313
12
4.5
58.5
9.3375
35.9
75.4
0002341
11
4.5
54
9.45
35.9
69.1
0.002369
10
4.5
49.5
9.5625
35.9
62.8
0.002397
9
4.5
45
9.675
35.9
56.5
0.002425
8
4.5
40.5
9.7875
35.9
50.2
0.002454
7
4.5
36
9.9
35.9
43.9
0.002482
6
4.5
31.5
10.0125
35.9
37.6
0.00251
5
4.5
27
10.125
35.9
31.3
0.002538
4
4.5
22.5
10.2375
35.9
25
0.002567
3
4.5
18
10.35
35.9
18.7
0.002595
2
4.5
13.5
10.4625
35.9
12.4
0.002623
1
4.5
9
10.575
35.9
6.1
0.002651
0
4.5
4.5
10.6875
35.9
0
0.002679

0.148456
为保证混凝土核心筒各层的楼层标高满足设计要求，因此需要在各层施工时预留混凝土徐变变形量。根据计算分析结果，确定如下混凝土楼层预留徐变变形量。各楼层的预留徐变变形量加到混凝土楼层标高商，施工过程中通过调整混凝土楼层标高形式加以调整。
名称
部位
楼 层
1～30
31～70
71以上
预留值（mm）
2.5
1.5
0.5
2、风载影响
本工程塔体高度将达+432米，受到风力、日照、温差等多种动态作用的影响，核心筒顶部处于偏摆运动状态。根据类似工程的监测研究表明，塔心在一个白天的位移轨迹，是一个未闭合的近似椭圆形，预测广州西塔核心筒顶部施工期间的摆幅可能会大于15厘米。其中越到顶部，风力对结构的影响越大。为了掌握风振作用下高层建筑物的竖向变形和不同层面的扭转变形，我们可以采用现场直接测量的方法，根据试验获取的数据进行分析，可以对高层建筑在风振作用下的变形规律进行初步的总结，并且在有条件的情况下，建立相应的数学模型，定性定量地分析风振对高层建筑产生的影响。

风荷载作用变形图

混凝土结构安装至60层、钢结构施工至52层时，已完成结构在风荷载作用下变形最大值为62mm，发生于结构顶部。
考虑到风荷载对已完成结构产生的作用是使其整体偏转，而风荷载产生的侧向变形层间角较小，因此对其的处理措施应考虑到风荷载的短时间作用特点，应通过严格控制安装时的柱的垂直度，并严格限制大风天气下结构、特别是钢柱的安装来保证。
受风载影响，西塔外筒钢结构和核心筒部分摆动比较大，为了尽量减少风载对筒体结构变形的影响，我们每12层设置一个测量转化层，并且定周期复核，防止误差累积。具体操作步骤参见工程测量部分主塔楼垂直度控制部分。通过精确的定位，完全可以将风载的影响控制在容许范围内。

3、日照影响
由于日照的影响，混凝土构件和钢构件背面和正面受到的阳光照射不一样，产生的温差导致构件发生变形。

混凝土结构安装至60层、钢结构施工至52层时，已完成结构在单边日照引起结构顶部侧向变形最大值为40.5mm。针对由于温度作用引起的变形，在安装过程中按照如下方法进行温度修正。
温度修正流程：
确定基准温度→→测设基准高程→测量环境温度→与结构分析对比→确定高程修正量→高程修正结构→施工测量
将经过温度修正的基准高程，即修正高程，作为结构构件、特别是结构柱安装时的定位高程。对于单根结构柱，由于日光照射在钢柱的一侧，钢柱将会向背光的一侧发生附加的倾斜位移。可考虑对钢柱按如下理论公式进行预偏，预偏方向与太阳光照方向相反。

其中，为柱顶因温差影响产生的位移值；为钢材的线膨胀系数；为钢柱的高度；为温差方向柱截面的厚度。
在钢柱安装过程中，应严格控制其垂直度的测量时间，考虑到清晨日照温度相对较低，钢柱测量时间最好是选择早晨9点前。
日照变形观测应在高耸建筑物或单柱（独立高柱）受强阳光照射或辐射的过程中进行，应测定建筑物或单柱上部由于向阳面与背阳面温差引起的偏移量及其变化规律。日照变形观测可根据不同观测条件与要求选用下列方法：
（1）当建筑物内部具有竖向通视条件时，应采用激光铅直仪观测法。在测站点上可安置激光铅直仪或激光经纬仪，在观测点上安置接收靶。每次观测，可从接收靶读取或量出顶部观测点的水平位移值和位移方向，亦可借助附于接收靶上的标示光点设施，直接获得各次观测的激光中心轨迹图，然后反转其方向即为实测日照变形曲线图。
（2）从建筑物外部观测时，可采用测角前方交会法或方向差交会法。对于单柱的观测，按不同量测条件，可选用经纬仪投点法、测顶部观测点与底部观测点之间的夹角法或极坐标法。按上述方法观测时，从两个测站对观测点的观测应同步进行。所测顶部的水平位移量与位移方向，应以首次测算的观测点坐标值或顶部观测点相对底部观测点的水平位移值作为初始值，与其他各次观测的结果相比较后计算求取。
一般来说，受日照温差影响， 晚上日落以后到早上日出以前，向阳面与背阳面温差较小，引起的变形偏位也就比较小，早上10点以后至下午4点以前，由于内外温差较大，核心筒部位变形偏位较大。为了减小日照对建筑变形的影响，我们选在0：00～8点之间进行控制测量和投点工作，以尽量减少日照变形对施工的影响和轴线偏差的影响。

（二）、核心筒整体变形控制 514
1、混凝土结构徐变 514
2、风载影响 517
3、日照影响 518