施工荷载对高层建筑结构竖向变形的影响研究

王东东

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

高层建筑在结构体系、混凝土收缩变形、徐变变形方面与普通建筑存在一定的差异性[1]。长期受到荷载作用影响，高层建筑结构可能出现不同程度的竖向变形情况，降低了建筑结构的稳定性与牢固性，存在较大的安全风险与隐患[2]。施工荷载作为验算建筑结构及构件安全度的一种临时荷载，对提高高层建筑结构稳定性与安全性至关重要[3]。因此，本文以郑州市星联樾棠居高层住宅建筑为例，提出了施工荷载作用下，高层建筑结构竖向位移变形的研究。

1 施工荷载作用下高层建筑结构竖 向变形研究

1.1 工程概况

选取郑州市星联樾棠居高层住宅建筑1#楼为本次研究对象，1#楼共30层，高度约为109.5m，整体建筑采用对称的钢筋混凝土框架结构形式。建筑结构采用C70高强自密实混凝土，混凝土的密度为2450kg/m3，建筑钢材密度为7850kg/m3，各个建筑构件性能均符合相关要求。星联樾棠居高层住宅建筑1#楼整体工程规模较大，施工难度与施工要求均较高。在工程施工期间，高层建筑承受的施工荷载主要包括两种：建筑结构本身的自重以及其他施工活荷载。在掌握1#楼建筑结构相关信息后，开展施工荷载对其建筑结构竖向变形的影响分析，具体如下文所示。

1.2 试件设计与分组

本次试验中，所需使用的试件以高层建筑结构混凝土试件为主，为了更好地开展其竖向变形的研究。根据星联樾棠居高层住宅建筑1#楼的实际建设情况与特征，选取混凝土试件设计所需的材料，设计3种结构与性能不同的混凝土试件。选取普通混凝土与高强自密实混凝土，进行浇注处理，在浇注过程中，掺入1.2%的聚羧酸高效减水剂，优化混凝土试件的配合比，控制混凝土容重变化[4]。混凝土试件浇注结束后，养护24h后脱模[5]。根据S高层建筑结构特征，设计普通混凝土与高强自密实混凝土试件的有效尺寸，分别为100mm×100mm×400mm、150mm×75mm×450mm、300mm×60mm×900mm。对试件进行标号处理，分别标号为普通试件1～3，C70试件4～6。在不同龄期下，分别测量6种混凝土试件的立方体抗压强度，如表1所示。

表1 不同龄期下混凝土试件抗压强度

如表1所示，为本文设计的星联樾棠居高层住宅建筑1#楼建筑结构混凝土试件立方体在不同龄期的抗压强度。通过高层建筑结构混凝土试件设计与分组标号，为后续建筑结构竖向变形影响研究提供基础保障。

1.3 试验方法及流程

在混凝土试件中安装逐级加载装置，使试件处于施工荷载反力架中心线上，保证试件在外力作用下，轴心受压稳定。在此基础上，采用有限元软件模拟高层建筑施工荷载，通过分层加载的施工方法，将竖向荷载施加到高层建筑结构混凝土试件上，对试件进行内力分析，计算混凝土试件的弹性变形，公式为：

式中： Δa(m)表示高层建筑结构混凝土试件竖向荷载施加后的弹性变形；Px表示混凝土试件的轴向压力；Ea(m)表示混凝土试件的综合弹性模量；R表示混凝土试件的横截面积；l表示混凝土试件的尺寸。根据高层建筑结构混凝土试件弹性变形计算结果，获取各个楼层的轴力信息[6]。在此基础上，通过找平补偿的方法，获取建筑结构累积弹性变形，控制高层建筑结构混凝土浇筑的标高。采用统计分析的方法，统计高层建筑施工现场的荷载，模拟施工荷载值[7]。打磨处理上述设计的混凝土试件表面，使其表面保持平整光滑，使用AB胶，在各个混凝土试件表面粘贴振弦式应变计，测定试件在不同施工荷载作用下的实时应变状态与应力变化累计值[8]。本文使用的振弦式应变计结构示意图，如图1所示。

图1 振弦式应变计结构示意图

如图1所示，振弦式应变计由安装块与钢弦组成，将其粘贴在混凝土试件表面。当混凝土试件出现变形时，应变计内部的钢弦会自动发生应力变化，产生不同程度的振动频率，反映混凝土试件应力与抗压强度的变化。通过振弦式应变计的电缆，自动上传应力变化振动频率信号，上传至读数装置，获取并记录试件的应变值。试件应变值记录结束后，综合考虑混凝土试件收缩变形对高层建筑结构竖向变形的影响，在施工荷载作用下，计算试件收缩变形值，计算表达式为：

式中：t表示混凝土试件龄期；0t表示混凝土试件养护结束龄期；α表示混凝土试件收缩变形系数；f表示试件尺寸修正系数；φ表示施工荷载修正系数耦合值。通过计算，获取混凝土试件的收缩变形值，得出试件的竖向变形状况，在此基础上，设定高层建筑结构第i层的荷载为iN，计算高层建筑楼层荷载总和，公式为：

式中：m表示高层建筑的总层数。在计算高层建筑楼层荷载总和过程中，需要注意建筑结构混凝土内部钢筋与型钢截面面积占整体建筑构件截面积的比例，综合考虑二者对楼层荷载总和的影响，表达式为：

式中：Ea表示高层建筑结构混凝土的弹性模量；Qa表示混凝土在建筑构件截面中的面积；Eb表示高层建筑结构钢筋的弹性模量；Qb表示钢筋在建筑构件截面中的面积；Er表示高层建筑结构型钢的弹性模量；Qr表示型钢在建筑构件截面中的面积。选取有活荷载模型，分析高层建筑各个楼层中施工荷载的分布情况，在建筑结构收缩徐变作用下，实时测量并记录施工荷载作用下，建筑结构核心筒竖向位移的变化，进而反映高层建筑结构的竖向变形情况。

2 影响结果分析

在上述试验方法及流程设计完毕后，接下来，利用MATLAB分析软件与有限元分析软件，共同对高层建筑结构竖向变形影响结果作出分析，进而实现本次高层建筑竖向变形影响研究的目标。

在高层建筑施工过程中，施工荷载随着建筑结构的变化而发生改变。为了更加直观地获取施工荷载对高层建筑结构竖向变形的影响，利用有限元分析软件，模拟建筑各层墙体的施工状况。通过逐级加载的方式，对试件施加施工荷载，每隔10d加载一次，直至施工荷载总量达到100kN。在此期间，实时记录混凝土试件应变计的读数变化，通过试件的收缩变形，反映其竖向变形状况。综合考虑普通混凝土试件与C70高强自密实混凝土试件的抗压强度变化，控制逐级加载的变化范围，使其符合叠加原理，避免试件应力超出其自身抗压强度，对试验结果产生影响。设置施工荷载分别为10kN与20kN，选取普通混凝土试件1与C70混凝土试件4，利用MATLAB分析软件，测定两种试件在不同施工荷载作用下的时变变形曲线，反映竖向变形情况，分别如图2、图3所示。

图2 逐级荷载为10kN的试件时变变形曲线

图3 逐级荷载为20kN的试件时变变形曲线

根据图2、图3的试件时变变形曲线可知，在逐级荷载为10kN时，两种混凝土试件的时变变形曲线接近，均呈现大幅度上升趋势；在逐级荷载增加到20kN时，两种混凝土试件的时变变形曲线与时变变形值上升速度存在一定的差异，可知不同逐级荷载对混凝土试件结构产生的影响不同。在此基础上，利用混凝土试件，模拟高层建筑楼层结构，测定两种逐级荷载作用下，高层建筑各个楼层结构的竖向位移变形值与抗压强度，结果如表2所示。

表2 不同荷载作用下高层建筑结构竖向变形对比

根据表2的对比结果可知，随着楼层的升高，建筑结构竖向位移变形逐渐减小，抗压强度逐渐上升。在逐级荷载从10kN增加到20kN后，同楼层建筑结构竖向位移变形也随之增加，抗压强度下降。由此可见，施工荷载与高层建筑结构竖向位移变形呈现正比例变化，逐级荷载增加，建筑结构竖向位移变形值也随之增加，混凝土结构抗压强度下降。

3 结语

通过上文研究分析，可以得出以下几方面结论：

（1）根据图2、图3可知，当逐级荷载从10kN增加至20kN时，普通混凝土试件与高强自密实混凝土试件的时变变形曲线与变形值存在一定差异，表明不同的逐级荷载对高层建筑混凝土试件结构产生的影响不同。

（2）根据表2高层建筑不同楼层结构竖向位移变形与抗压强度结果可知，当逐级荷载增加时，同楼层建筑结构竖向位移变形值也随之增加，混凝土结构抗压强度下降，由此可见，施工荷载与高层建筑结构竖向位移变形呈现正比例变化关系。