施工过程分析对超长混凝土结构设计非常必要, 能够真实反映出框架体系与超长楼板在施工过程中的变形及内力变化, 确保设计与施工的安全性。本文采用MIDAS/Gen软件, 对某超长混凝土框架结构考虑混凝土收缩徐变影响的施工过程进行了模拟分析, 研究分析结构的变形规律与内力变化, 为施工、设计提供了科学参考。

在实际结构中, 徐变、收缩与温度应变同时存在。在结构分析中温度应力往往单独考虑, 而徐变与收缩则往往考虑在一起。混凝土结构在施工过程中发生体系转换时, 从前期结构继承下来的应力状态所产生的徐变受到后期结构的约束, 从而导致结构内力与支点反力的重分布。另外, 外加强迫变形如支座沉降或支座标高调整所产生的约束内力, 也将在混凝土徐变过程中发生变化, 部分约束内力将逐渐释放。因此, 收缩徐变对混凝土所产生的附加效应是不能忽视的问题。目前, 对于收缩徐变计算理论主要将常荷载下徐变试验结果应用于变应力作用下的结构构件徐变分析中。徐变计算理论主要有有效模量法、老化理论、弹性徐变理论、弹性老化理论和继效流动理论等。本文采用有效模量法计算混凝土的收缩徐变。

有效模量法采用降低弹性模量来考虑混凝土的徐变影响, 即混凝土的徐变近似地归入弹性应变, 将徐变问题化为相应的弹性问题来解决。引入有效模量后, 可以采用弹性状态分析方法, 逐步推算各时刻的变形和应力。该方法在应力无明显变化或龄期可以忽略不计 (如老龄期混凝土) 时能给出极好的精确解。混凝土徐变曲线如图1所示。

式中:C (t, τ) 为单位应力作用下的徐变;E (τ) 为τ龄期的弹性模量。

采用MIDAS/Gen建立超长混凝土框架结构模型, 输入混凝土收缩徐变与施工时间、龄期等依存关系, 建立结构组、荷载组和边界组, 然后根据实际施工过程, 按施工顺序激活模型中的单元, 从而实现对施工过程的模拟 (见图2) 。

本工程位于贵阳市双龙经济技术开发区, 结构为7层混凝土框架结构, 主要用于办公, 总建筑高度为31.200m, 总建筑面积约3万m²。主体结构纵向长112.8m, 横向长67.1m, 结构通长不设伸缩缝, 为一典型的双向超长结构 (见图3, 4) 。考虑混凝土初期收缩的影响, 沿纵向于连廊处及拐角处各设置1条后浇带, 沿横向于中部设置1条后浇带, 以减小混凝土收缩的不利影响。

图5分别给出A, B, C 3点不同处柱在考虑分施工阶段加载的竖向收缩变形和一次性加载的竖向收缩变形。可以看出采用一次性加载时, 各层柱的收缩量远大于分施工阶段加载情况下的竖向收缩量, 因此, 采用一次性加载分析时, 容易造成计算结果与实际测量结果存在较大误差, 影响施工找平。而对于考虑施工阶段的情况来说, 柱竖向收缩最大量均发生在5层楼板处, 其中A, C处的收缩量差异不大, 为0.07~0.1mm, 而B处柱的收缩量最大, 约0.4mm。造成这种差异的原因主要是A, C处为端柱, 其收缩变形与附加应力一定程度上可以自由释放, 而B点处柱由于周围梁、板的约束作用较强, 因此产生的收缩变形和附加应力往往较大。

图6为1, 3, 5, 7层楼板处在收缩变形下的Von Mises应力。其中, 1层楼板应力较大, 最大应力为6.98MPa, 发生在长轴板带端部, 最小应力为1.3MPa, 发生在短轴楼板端部;3层和5层最大应力为2.36MPa, 长向板带中间应力为0.3MPa左右, 小于混凝土抗裂强度;7层最大应力4.4MPa, 发生在长轴板带中部。可以看出, 在收缩变形作用下, 底层和顶层楼板大部分面积受力均大于C30混凝土抗裂强度, 容易引起开裂破坏, 分析其原因是底层楼板受到的约束作用较强, 收缩变形向梁端延伸而无法释放, 导致端部应力较大;而顶层楼板虽然可以释放掉应力, 但顶层变形较大, 导致顶层楼板中部应力较大。

图7为A处端柱在收缩变形下x, y, z各向的变形情况。x方向最大位移为4.242mm, 发生在2层楼板处, y, z向最大位移分别为1.664mm和0.553mm, 均发生在4层楼板处。可以看出, 混凝土收缩徐变作用下, x方向, 即长轴方向柱的位移最明显, 这是由于长轴方向板带最长, 混凝土收缩徐变总总量量较较大大, 导导致致x方方向向的的变变形形量量最最大大。

1) 采用一次加载分析时, 柱的竖向收缩量随着层高的增加而增加;采用施工阶段分析时, 柱的竖向收缩量先增大后减小, 最大收缩量发生在5层楼面处。

2) 对于超长结构, 不考虑后浇带影响时, 收缩徐变在各层楼板中产生的应力均大于混凝土的抗裂强度, 尤其是底层和顶层楼板处以及端部, 因此在这些位置应考虑抗裂钢筋的构造措施。

3) 收缩徐变对长轴向即x方向的层间位移影响较大, 因此在施工过程中要考虑超长混凝土楼板施工阶段收缩徐变的释放。