时间：2013年06月28日 分类：推荐论文 次数：
摘要：本文采用有限单元法和现场实测试验相结合的方法研究型钢混凝土梁式转换结构在施工过程中的受力状态和承载性能。在现场实测试验中，跟随施工过程监测了梁式转换结构的挠度和应变随着转换结构承托楼层数增加的变化规律。在有限元理论分析中，不仅模拟随施工过程而变化的结构及其所受的荷载，而且在模拟施工过程的时变结构中考虑了混凝土收缩和徐变的影响。结果对比发现，模拟施工过程并考虑混凝土收缩和徐变后的计算结果与现场实测结果吻合较好。
关键词：型钢混凝土,梁式转换结构,现场实测试验,收缩,徐变
1 前 言
某工程局部采用了大跨度型钢混凝土转换梁结构，转换层上部12层框架结构由梁上柱传递到转换梁中部，转换梁受力非常集中，高应力下徐变作用较显著，且主体结构施工长达5个月，正是混凝土徐变与收缩快速增长期，结构设计虽然考虑了施工过程对结构内力和变形的影响，但是现有的有限元软件还未能考虑施工过程中混凝土收缩、徐变、温度等因素对结构内力和变形的影响。由于高层建筑设计规范中未给出计算混凝土徐变的明确条文，考虑徐变对高层结构的影响还只能引用桥梁结构中比较成熟的徐变系数方法来进行[3]。通过编程迭代计算，结果表明考虑收缩徐变后实测结果与有限元计算结果比较一致，较真实的反映了施工期转换梁的荷载传递规律。
2 工程概况
该工程高65m，地上15层，地下3层，埋深17.0m。该建筑的体型和结构布置比较复杂，柱网尺寸纵向为8.1m，横向为8m。为保证建筑底部有较大的使用空间，建筑物一二层部分区域柱网尺寸扩大为16.2m，设计者在结构楼面第3层布置了16.2m跨型钢混凝土转换梁，其转换层平面布置如图1所示。框支柱和被转换柱采用型钢混凝土柱，并向上延伸一层，型钢混凝土柱内配焊接十字形型钢。
3 实测方法
考虑到现场条件，选用温度自补偿式的振弦应变计，该应变计不但能够测到结构的应变，而且能够同时监测到仪表埋设处的温度，并对由于温度变化所引起的测试误差进行修正。测试前用混凝土将应变计保护好，在结构施工过程中埋人到混凝土构件中，埋入后，每施工一层就实测一次，直至主体结构封顶。根据初步计算表明，转换托柱主要承受轴压力，所以在中柱对称布置四个测点，测点布置如图2所示。利用GK-404便携式读数仪直接对测点的应变进行测试，并根据混凝土的弹性模量计算混凝土的应力。
由应变计直接得到的数据是频率F(Hz)和温度T(oC)，应变可按下面公式计算：式中G为仪器标准系数，Fi为第i次测量的频率值(HZ)，F0为频率初始值(HZ)，T1为环境温度(℃)，T0为初始温度(℃)，K为温度修正系数。
4.1 测试数据分析
在真实结构中，混凝土的徐变、收缩以及荷载应变是混杂在一起的，即采用振弦式应变计实测得到的应变是荷载应变、混凝土收缩应变和徐变应变的总和，如果直接用所测得应变按照(2)式计算得到的是混凝土结构的“名义应力”，而不是真实应力，而由名义应力直接计算得到的轴力转换托柱的“名义轴压力”。
转换中柱的混凝土弹性模量按实验室测定值取2.72×104MPa，型钢混凝土柱轴向刚度按《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ 138-2001)中的叠加法计算。
由实测应变换算得到转换中柱的“名义轴压力”如表1所示。由表可知施工第3层和第4层转换中柱轴压力增量分别为1151.1kN、1010.5kN，而根据粗略的估算，转换中柱上部楼层自重荷载全部施加到中柱上也就400kN左右，这说明由实测的“名义应变”直接计算的柱子轴力不能反映结构真实受力情况。因此必须在实测应变中扣除收缩徐变的影响，才能得到真实的荷载应变。
4.2 混凝土收缩徐变对应力分析的影响
混凝土的收缩是随时间变化的，它的产生与应力无关。根据Gardner和Lockman提出了预测混凝土经时收缩和最终收缩的经验公式(GL式)[2]，混凝土收缩应变可以表达为：
式中： 为相对湿度(以小数表示); 为混凝土龄期(d); 为结束潮湿养护、干燥开始的龄期(d); 为体积/表面比(mm); 为28d混凝土抗压强度(MPa)。对ASTM Ⅰ型水泥，K=1;对Ⅱ型水泥，K=0.70;对Ⅲ型水泥，K=1.15。
混凝土的徐变模式和计算方法很多，没有统一的形式。当前国内比较常用的有CEB-FIP模式、BP模式、ACI209模式以及其它模式[5],这几种模式考虑的影响因素不尽相同，得到的计算结果也不一样。因为这些模式都是经验公式或半经验公式，并且均是在特定的试验条件下获得的，各有特点。
欧洲混凝土委员会和国际预应力混凝土联合会(CEB-FIP)于1978年提出的混凝土构件平均徐变的表达式，目前国内公路桥涵设计规范也采用该模式，虽然型钢混凝土构件与钢筋混凝土构件混凝土徐变性能有一定的区别，但是国内外关于型钢混凝土徐变还没有成熟的理论，所以本文考虑型钢混凝土徐变时也采用规范中模式：
规范中各系数均用图表形式给出，为方便程序计算，其各个图表拟合后的公式如下式中， 和 是依周围环境而定的系数， 是依理论厚度而定得系数，均可从规范表中直接查得; 为混凝土构件截面面积; 为与天气接触得截面周边长度。根据徐变理论[4]，徐变应变的表达式为：混凝土在收缩徐变时会受到受力主筋、工字钢的阻碍作用，所以计算型钢混凝土收缩徐变影响时要乘以折减系数由表2可知，施工期内，收缩应变与徐变应变都很大，50天龄期后徐变应变超过收缩应变。徐变应变与收缩应变和接近总应变的一半。
转换中柱轴压力实测值、考虑收缩徐变后的修正值及考虑施工的理论值之间的比较。由图可知，考虑收缩徐变后，实测值与Ansys模型计算值吻合较好，修正后实测值真实反映了型钢转换梁结构随上部楼层增加的荷载变化情况，可以看出当转换层上部结构超过8层后，后增荷载对转换中柱的压力增加较为有限，此时转换层上部结构结果已经形成拱效应。
5 结 论
(1)实测数据表明施工期收缩徐变变形显著，收缩徐变应变之和接近总应变的50%左右，设计时必须予以考虑。施工某一楼层之前以下各层已产生的弹性变形及收缩徐变变形对该层构件不产生影响，因此分析收缩徐变对高层建筑影响要考虑施工过程。
(2)型钢(钢筋)对混凝土收缩徐变变形有较大约束作用，计算收缩徐变量时要考虑型钢(钢筋)对混凝土的约束影响。
(3)应用《公桥规》中的徐变系数模式，把相应图表拟合成方程后，可以方便的计算混凝土的徐变量。
(4)转换层上部楼层超过8层后，后增荷载引起的转换中柱的内力增长非常有限，上部结构形成拱效应，可以认为转换梁中的内力不再随转换层上部结构楼层的进一步改变而改变。
参考文献：
[1] 王铁梦.工程结构裂缝控制(M).中国建筑工业出版社, 1997.
[2] N.J.Gardner and M.J.Lockman，Design Provisions for Drying Shrinkage and Creep of Normal-Strength Concrete (J).ACI Materials Journal,2001,(2):159-167.
[3] 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)
[4] 周履 陈永春.收缩徐变.中国铁道出版社, 1988
[5] 邹小江 寿楠椿等.高层建筑考虑施工过程的徐变收缩分析.建筑结构, 2002(3): 3~6
[6] 刘军进 吕志涛.金山大厦转换梁的实测及分析.建筑结构, 2002(2):35~37