变形分析与控制

（一）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。

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

混凝土在持续荷载作用下会发生徐变变形，徐变的存在会使混凝土结构的强度降低，缩短其使用寿命。混凝土是一种主要用于承受压力的脆性材料，其抗压强度远远高于抗拉强度。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。

徐变是混凝土这种粘弹性材料的重要性质之一。通常对于混凝土结构会因为徐变而使得变形不断增大 ,或者带来预应力损失 ,人们十分熟悉。但是另一方面,徐变会使混凝土的温度或其他收缩变形受约束时产生的应力得到松弛。事实上 ,长期以来结构混凝土因为各种收缩变形受约束而并未引起广泛开裂的重要原因,是早期强度增长较缓慢的混凝土徐变松弛作用显著的结果。以一组数据来说明徐变的作用[1 ]:设混凝土达到温峰后下降幅度为 3 0℃ ,其弹性模为 3 0ＧＰａ,线胀系数 1 0× 1 0 -6,如果不存在徐变 ,则引起的拉应力可高达 9ＭＰａ ,显然任何普通混凝土都无法承受这样大的应力而产生开裂,由此可见徐变的影响之大。徐变与混凝土强度通常是反向发展的，使普通混凝土原来具备开裂后的自愈能力完全丧失 ,因此一旦混凝土开裂就无法再愈合 ,而且在外界荷载与环境条件 (包括干湿、冷热循环 )作用下继续收缩,使裂缝会进一步连通和扩展。

1.1、徐变产生的机理分析

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，将其主要机理分为:

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

1.2、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:

徐变与混凝土强度通常是反向发展的，使普通混凝土原来具备开裂后的自愈能力完全丧失 ,因此一旦混凝土开裂就无法再愈合 ,而且在外界荷载与环境条件 (包括干湿、冷热循环 )作用下继续收缩 ,使裂缝会进一步连通和扩展。国内水泥这些年来的变化 ,也促使混凝土的徐变能力发生了同样的演变。

徐变变形规律

(1)当应力水平相对较低时(如图)，在持续荷载作用下，其变形虽然随着时间的增加而有所增长，但增长速度缓慢，试件在持续荷载作用下历时一个月而未破坏．这可能是由于存在某一应力水平(长期强度)，当持续荷载在这一应力水平以下时，构件不会发生徐变破坏。

应力水平为70％时徐变变形曲线

(2)当在较高应力水平时(如图)，其变形随时间的增加不断增长，直至构件发生徐变破坏．这类徐变曲线一般可以分为3个阶段：在第1阶段，徐变速率随时间的增长逐渐减小，该阶段是混凝土由瞬时弹性阶段向徐变变形转化的过渡阶段，称为徐变减速阶段；在第2阶段，徐变速率随时间的增加变化很小，徐变曲线接近直线，称之为稳定徐变阶段，混凝土内部的微裂缝在该阶段开始萌生与扩展；到了第3阶段，微裂缝得到进一步扩展并贯通为宏观裂纹，该阶段中的徐变速率随时间的增加不断增大，并最终导致材料破坏，称之为徐变加速阶段。

应力水平为85％时徐变变形曲线

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。收缩和徐变作用机理不同，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，此收缩和徐变要根据其影响机制正确对待。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。

收缩量(X10 )

（月）

混凝土结构收缩曲线图

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。

高层建筑的主要荷载为水平荷载，风荷载是建筑的设计荷载之一,也是高层建筑,高耸建筑的主要荷载之一。风速的脉动以及横向风涡流的频繁将引起结构顺向风和横向风振动，甚至产生扭转耦合振动，失稳，弛振及颤振。当结构的自振周期与风振周期接近一致时，有可能使建筑倒塌。历史上因为风振造成的工程结构坍塌事故实有发生。美国塔科马港湾上的第一座塔科马桥就是在竣工四个月后的1940年11月7日毁于68千米/小时的风振。同地震作用相比，风力作用极其频繁且持续时间比较长，因此风力的影响比地震大的多。高层建筑对风的动力作用比较敏感，建筑物越柔，自振周期越长，风的动力作用也就越显著。如果在强风作用下产生过大的水平位移和振幅，会使建筑物产生一定的损害或者由于风振引起构件的疲劳破坏。为了使高层建筑在风力作用下不会发生倒塌，结构开裂和过大的残余变形，就必须研究高层建筑在风振作用下的变形情况，进而采取合理的风振控制措施。因此研究风对工程结构的作用规律具有重要的现实意义。高层建筑风振变形的研究主要是研究风振对高层建筑物倾斜，水平位移，竖向变形，不同层面间的扭转变形。风振测量的方法，常用的是风洞模拟法和现场直接测量法。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。

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。温度变化时，若结构中的构件变形受到约束，那么构件的膨胀、收缩不能自由发生，结构构件就有内力，称为温度内力。对于一般的低层建筑物．温度变形和温度内力很小，可忽略。但随着建筑物高度增高、温度内力也越来越大。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，具体影响曲线如下图：

塔楼顶部受日照影响变形曲线

注： 1 图中顺序号为观测次数编号，括号内数字为时间；

2 曲线图由激光铅直仪直接测出的激光中心轨迹反转而成。

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。

4、竖向变形差的解决方案

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：

（1）降低混凝土中水泥在水化过程中的水化热，提高混凝土和易性，减少水灰比，增加混凝土的密实性和提高混凝土抗拉强度，减少混凝土在施工过程中由于温差过大产生膨胀与收缩应力。

（2）延长混凝土初凝及终凝时间，因为水泥在水化的总发热量是个常数，延长升温与降温时间，不致于使温度梯度产生峰值，使膨胀与收缩的应力达到最高值，裂缝迅速加大。

（3）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，减少由于热胀冷缩产生结构裂缝及提高抗渗能力。

（4）加强混凝土的养护，采取有效表层保温，保湿措施，使外界气温与混凝土表面温差不宜过大，散热过快，并保持足够水份，使混凝土水化与凝固更完善，减少温度梯度，膨胀与收缩更均匀。（5）严格控制水灰比，水是影响混凝土收缩主要因素，因混凝土中水份大部分蒸发引起混凝土内部形成很多毛细孔，降低混凝土抗拉强度、收缩变形也同时发生，因此采用减水剂、减少水灰比，改善混凝土和易性，从而提高混凝土的抗拉强度，减小混凝土徐变和收缩量。

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。以本工程采用的核芯筒_外钢框架体系为例，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。一般超前的进度为& ’ $& 层。超前进度的多少应考虑施工工期和施工操作面的要求，同时考虑到使芯筒混凝土“提前”完成大部分的徐变。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。所谓补偿是指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，以若干层为一段调整柱的长度，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。

4.1 被动适应

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。以本工程采用的核芯筒_外钢框架体系为例，混凝土核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。一般超前的进度为5－15层。超前进度的多少应考虑施工工期和施工操作面的要求，同时考虑到使芯筒混凝土“提前”完成大部分的徐变。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。一般认为，混凝土结硬过程中特别是结硬初期，水泥水化凝结作用引起体积的凝缩，以及混凝土内游离水分蒸发逸散引起的干缩，是产生收缩变形的主要原因。注意养护，在湿度大、温度高的环境中结硬则收缩小；体表比直接涉及混凝土中水分蒸发的速度，体表比比值大，水分蒸发慢，收缩小；密实的混凝土收缩小；水泥用量多、水灰比大、收缩就大；用强度高的水泥制成的混凝土收缩较大；骨料的弹性模量高、粒径大，所占体积比大，收缩小。当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。混凝土在硬化后和使用过程中，受各种因素影响而产生变形，主要有化学收缩、干湿变形、温度变形和荷载作用下的变形等，这些都是使混凝土产生裂缝的重要原因，直接影响混凝土的强度和耐久性。

4.2 主动补偿

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。所谓补偿是指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，以若干层为一段调整柱的长度，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。此外设计者应从结构构造方面来解决竖向变形差异问题，可选择以下方案：

1) 抗为提高侧向刚度，减少水平位移，在某些超高层结构中常设置刚臂（加强层）。由于刚臂具有很大的刚度，在设计时可考虑由它来承担竖向变形差产生的内力，充分地利用了刚臂对结构水平及竖向特性的贡献。

2) 放在结构合适的位置设置柔性节点以适应结构的竖向变形差。设计者可利用这些关键位置的少量柔性连接来“释放”由于混凝土徐变收缩所引起的次应力和次弯矩。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次应力传给非承重构件。在巨型结构体系中，二级承重构件可通过特殊的节点构造将竖向变形差的影响限制在5--7层，这5--7层可看作一节，每节之间可以在竖向自由伸缩。设计这种仅限制水平位移而不限制竖向位移的节点构造是关键。

3)先放后抗在水平构件与竖向构件的某些连接部位设置后浇带。如在芯筒周圈与楼板的连接处设后浇带，从而有效地减少了在楼板中引起次应力。

4)防对钢筋混凝土结构建筑，调整竖向构件的配筋率、面积体积比、应力强度比，使各竖向构件的徐变、收缩特性基本一致，从而减小竖向变形差。

至于采用哪种设计对策来抵抗或适应变形差，应综合考虑结构的力学性能和经济性。此外，拟定合理的施工方案，严格安排竖向结构构件的施工顺序和施工时间差，对控制结构的竖向变形差异也是非常有效的。当然，被动方法和主动方法在施工中可以同时使用。控制结构竖向变形应从设计、施工、监测三方面结合起来进行。施工前，应尽早确定混凝土的配合比及施工方案，以便对实际配合比的混凝土进行试验，并不断修正混凝土徐变和收缩变形的估算结果。施工过程中宜进行实时监测，对混凝土徐变和收缩的预测值不断进行修正，从而提出处理该变形的施工建议，形成“设计—预测—施工—监测—修正—施工”的控制模式。