基于时变力学的混凝土结构全过程受力分析研究

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1、基于时变力学的超高混凝土结构全寿命受力监测及分析研究中国建筑第四工程局有限公司重 庆 大 学二一四年十月201. 课题的提出超高混凝土结构，包括超高的钢筋混凝土结构及钢-砼组合结构，其全寿命主要可以分为三阶段：施工期-结构形成阶段；运营期-结构正常使用阶段；拆除期-结构拆除阶段。三阶段的受力各具特点，需要关注的重点问题也各不相同。深入了解超高混凝土结构全寿命的受力特点，并根据需关注的重点问题采取相应的措施，对于安全快速建造、健康经济运营、安全快速拆除具有重要的理论意义和工程实用意义。本课题主要针对施工期和正常运营期结构特性进行分析研究。混凝土结构的时变主要体现在施工期和拆除期，尤其在施工期，在

2、该期限内，结构受力模型随时间变化，主要材料特征随时间变化，承受的荷载随时间变化。混凝土结构施工过程中既要确保结构的安全，也要保证一定的工程进度。这就要求施工期混凝土结构有一个合理的安全水平来满足两方面的需要。现行的混凝土结构设计规范和施工规范没有对施工期混凝土结构受力分析提供方法或建议及思路，也没有提供较统一的安全度要求。这是混凝土结构施工期安全风险大大高于正常使用期的重要原因之一。与正常使用状态不同，施工过程中的混凝土结构，是由柱、数层楼板和连接多层楼板的模板支撑系统组成的临时性的受力体系（图1.1），此受力体系可能随着施工工序（如上层混凝土结构绑扎钢筋、浇筑混凝土，下层模板支撑架拆除等）的

3、进行而改变。在整个施工过程中，结构的形状、材料的性质以及所承受的施工荷载，均随时间变化。图1.1 混凝土结构施工期的临时受力体系新浇筑楼板的自重及施工荷载通过支撑系统向下层楼板传递，楼板随着新浇混凝土强度和刚度的增长，在环境温度变化、混凝土早期收缩及徐变等作用下，将逐渐承担其结构自重，从而使整个结构的荷载不断地进行重新分配。荷载效应随着施工进程不断累积，可能使施工过程中楼板承担的荷载远超过结构设计允许的楼板承载能力。这些特点使得施工期混凝土结构的特征与使用期的结构迥然不同，有时会产生整个结构生命周期中最危险的状况。混凝土结构施工过程中楼板出现的裂缝、挠度过大乃至破坏倒塌往往与此有关。如何保证混

4、凝土结构在一定的安全水平下，施工快速高效地进行，对于当前正在进行大规模建设的中国具有特别重要的意义。对施工期混凝土结构进行有效的安全控制非常重要，如何有效控制也非常复杂，而对超高建筑工程混凝土结构施工期安全控制则更为复杂、困难。我国对高层建筑选用的结构类型、计算方法及施工等均是建立在目前的科学技术水平之上，做了很多假设，存在一定的适用范围。实际建筑情况与假设情况不符或超出了适用范围，会对设计及施工的经济性、技术合理性、可行性带来很大影响。对混凝土结构施工期的安全性研究，涉及结构在施工过程中的结构特征、抗力、荷载、荷载效应及破坏模式等诸多问题。施工期混凝土结构在养护期间形状没有大的变化，除构件自

5、重外，施工荷载主要是施工材料的堆载和施工设备及人员荷载。但养护阶段材料性质快速变化，同时，由模板及支撑相连的整个时变临时受力体系，处于环境温度、湿度等的变化及混凝土自身收缩和徐变等各种因素影响之下（图1.2）。在施工现场实测中，通过对新浇筑柱、梁、板内钢筋应力及其下支撑应力的实测，发现新浇筑的混凝土构件在养护期间，随着混凝土强度、刚度的增长，由最初的不承担任何荷载状态，逐渐开始分担自身重量和荷载。这导致混凝土构件施工荷载在其自身及由模板支撑相连的各层中进行重分配。这种荷载重分配会直接影响临时受力体系的结构特性，直接影响混凝土结构施工期安全控制。养护阶段材料性质快速变化现浇钢筋混凝土结构施工循环

6、模板及支撑与结构形成时变临时受力体系 受环境温度、湿度及混凝土收缩和徐变影响大图1.2 施工期混凝土结构分析主要影响因素结构施工期安全控制涉及施工期分析控制模型的建立、施工期材料性能的变化、施工期荷载的变化、施工顺序及方法等一系列问题，其必须基于对结构施工全过程的受力分析。在这方面，钢结构建筑已经进行了较为成熟的施工全过程受力分析、模拟，并取得了较好的效果，也有较多的实测结果可以对比分析。但钢结构建筑施工过程受力分析、模拟的成功是基于钢结构工程施工在建筑施工领域中最具有制造业工厂化的特点，且与其他结构工程施工相比，钢结构工程施工受外界影响因素相对较少，钢材料性能在施工期间基本不随时间变化，不确

7、定因素少。但对混凝土结构施工期受力分析、模拟，进而进行有效地安全控制则要复杂、困难的多。钢筋混凝土结构还缺少施工全过程的受力分析。如上1.1所述，混凝土结构现浇施工过程中，有模板支撑参与的临时受力体系复杂、与正常使用状态有很大差别；材料性能随时间而变化，施工荷载复杂、多变；模板支设、钢筋绑扎、混凝土浇筑等施工顺序多变。钢筋混凝土结构施工期实测结果很少，缺少有效的分析计算。国外，RKAgarwal和NJGardner对两栋板柱结构施工过程中的支撑内力进行了现场测试及分析， DVRosowsky等针对钢筋混凝土模板支撑体系，进行了一系列调查和实验室测试，并对一个多层混凝土结构施工期的支撑系统进行了

8、现场测试。国内，东南大学潘鼐及杨宗放等对高层平板混凝土结构住宅进行了施工期测试及分析，清华大学方东平、祝宏毅、耿川东、刘西拉等对3.6米6米平面区域三层梁板结构及相应支撑进行了受力实测及分析。以上实测及分析均不是针对超高层进行，测试或仅对梁板、或梁板加支撑，缺少1.1所述临时受力体系包括柱等在内的整体结构受力性能的测试。课题组拟在前人研究成果的基础上，以超高建筑工程贵阳花果园双子塔为工程依托，采用理论分析结合室内试验和现场实体测试的方法开展研究，主要进行以下工作：（1）理论分析，建立施工期钢筋混凝土结构安全分析控制模型；（2）调查并统计分析混凝土结构活荷载和混凝土早期强度、弹性模量等基本指标，

9、研究施工过程中抗力、荷载及荷载效应的特征和概率模型；（3）混凝土结构实验室模型实验及分析；（4）施工期混凝土结构性能实测、分析及控制；（5）结构正常运营期健康监测、分析及控制。考虑实际结构混凝土强度、弹性模量等基本性能指标的时变特性，施工期外荷载的不确定性等因素的影响，采用有限元软件对施工期混凝土结构性能进行分析、模拟。2. 监测系统设立的目的与原则贵阳花果园双子塔项目在建筑及结构设计、施工技术等方面具有众多创新工作，采用与之相应的先进技术措施，针对重要结构及构件进行施工监控与健康监测，以确保其施工、运营的安全性和适用性，具有重大意义。2.1 监测系统设立的目的其主要目的体现在如下几方面：监控

10、结构及其关键构件在施工期间的变形、沉降和内力变化规律，保障施工质量及施工安全性，为优化施工方案提供依据并有助于检查、分析和处理有关工程质量事故；监测结构及其关键构件在服役期的变形、位移和内力变化规律，预测其变形趋势，为结构的安全性评估、预警及维护提供依据；监测结构的风致荷载分布特性（尤其是强风荷载分布特性）以及结构风致响应特性，为结构风振响应控制（如TMD的运营）提供实时参数，并保障结构满足舒适度要求；通过对结构和监测数据的分析计算，实现对结构整体及关键构件性能的安全评估与预警，为实现绿色、健康建筑的总体目标提供技术保障。2.2 系统设计思路和原则贵阳花果园双子塔项目施工监控与健康监测系统本质

11、上是一个建筑结构安全运营管理信息系统，它代表了国际上超高层建筑结构营运管理的必然趋势与发展方向。一个理想的结构运营管理信息系统应该包含设计与施工信息、环境与运行信息、状态监测与安全评估信息、维护与运营管理信息等几大部分。而本项目设计的基本思路是重点面向结构施工和服役期的状态监测、结构安全性评价与预警。贵阳花果园双子塔项目施工监控与健康监测系统的设计原则为：状态监测内容以变形为主、应变为辅，静力为主、动力为辅，平面为主、空间为辅；监测设备的选取兼顾先进性、可靠和稳定性、耐久性、经济性、便于安装监测及更换；监测参数和测点优化布设兼顾施工期与服役期，考虑布设的方便性、可实施性、可维护性以及布点优化；

12、系统可实现数据实时传输、在线监测、远程监控以及结构状态的动态演示；系统可实现结构安全性的实时评估与预警；施工监控与健康监测系统的实施，将最终建立一套贵阳花果园双子塔项目状态监测与安全预警系统，增强贵阳花果园双子塔项目的安全保障水平，同时，在超高层建筑的施工与服役期安全监测技术领域产生一批具有推广应用价值的创新性成果。3. 结构重要构件应变应力监测在核心筒剪力墙、外框筒叠合柱、外框梁、大跨度钢梁和楼板等重要部件埋设应力应变传感器，对施工及服役过程中重要构件的受力状况进行监测，通过长期监测数据分析，探测结构的性态变化。3.1监测点位布置监测点位的选取应考虑结构形式、构件的受力特性、截面尺寸变化以及

13、混凝土标号的变化等主要因素，具体布置见优化布点图及测点统计表。3.2监测仪器选择正确的选择测试仪器，可以减少误差、提高测试数据的准确性。本次实测试验的仪器为表面式应变计、埋入式应变计、表面式位移计以及相应的读数设备，具体设备型号待定。3.3主要测试工作 结构全施工期监测过程追踪施工全过程，每个施工工序开始和结束时均读取数据，历时较长、荷载变化较大的工序，如混凝土的浇筑，应在工序持续过程中读取数据，如遇没有工序施工时，每24小时读数一次；根据实际情况需要随时增加读数次数。具体控制工序如下：1）所测楼层上部各楼层核心筒浇筑施工；2）所测楼层上部各楼层钢结构吊装；3）所测楼层上部各楼层钢筋绑扎；4）

14、所测楼层上部各楼层混凝土浇筑；5）大型设备、大宗材料吊放等产生较大活荷载的操作。记录施工过程根据测试要求进行读数的同时，详细记录施工工况，特别是钢管柱吊装、核心筒施工、混凝土浇筑等主要控制工况。随时观察施工中出现的特殊情况，以便于后期数据分析。4. 结构风荷载作用下的动力响应以及楼层舒适度监测本项目塔体高度均大于300米，由于其高度比起平面尺寸太大，所以可以看成是一个细长杆件，这种结构基本自振周期大，很柔，所以在水平地震作用或者风荷载作用下很容易产生较大水平位移，这种水平位移必须控制在相应范围内。同时，结构水平振动、楼板振动的基本频率和峰值加速度也必须要在一定范围内才能满足人们舒适的要求。4.

15、1监测目的1）某些楼层楼板跨度较大，且次梁较少，所以有必要检测人行荷载作用下楼板振动舒适度是否满足要求；2）该高层高度大于150m，所以应检测风荷载作用下该高层是否满足风振舒适度的要求，并求测试时的最大风速；3）通过顶层水平加速度响应，估计出结构的前三阶频率和第一阶阻尼比。4.2监测依据1）设计图纸及相关技术资料2）建筑结构检测技术标准 GB/T50344-20043）高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2010人行荷载作用下楼板振动舒适度 根据行业标准高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2010中的相关规定，楼盖结构应具有适宜的舒适度，楼盖竖向振动加速度限值见下表：表4.1 楼盖竖向振动

16、加速度限值人员活动环境峰值加速度限值（ ）竖向自振频率不大于2HZ竖向自振频率不大于4HZ住宅、办公0.070.05商场及室内连廊0.220.15风荷载作用下风振舒适度根据行业标准高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2010中的相关规定，房屋高度不小于150m的高层混凝土建筑结构应满足风振舒适度要求，见下表：表4.2 结构顶点风振加速度限值使用功能（)住宅、公寓0.15办公、旅馆0.254.3监测项目1）东塔（1#楼）8、30层以及西塔（2#楼）8、38、54层楼板的竖向振动；2）东塔、西塔顶层水平振动以及风速。4.4监测仪器和设备检测设备：加速度传感器、风速仪、信号放大器、数据采集仪具体型

17、号待定4.5监测方案4.5.1楼板的竖向振动的测量方案设计分别东塔（1#楼）8、30层以及西塔（2#楼）8、38、54层楼板的跨度较大且次梁较少的区域，选择面积较大的楼板的中心位置安放传感器，如图4.14.5所示。每一个测点均测量3组数据，每一组数据持续测量大约30分钟。2、顶层水平振动的测量方案1在顶层的相邻两边各选择一个测点，分别用一个传感器测每个测点两个水平方向的水平加速度，如图2所示。每一个测点的每个方向均测量3组数据，每一组数据持续测量大约30分钟。3、顶层水平振动的测量方案2在顶层的相邻两边各选择一个测点，分别同时用两个传感器，相距1m，测每个测点同一个方向的水平加速度，如图3所示

18、。每一个测点的每个方向均测量3组数据，每一组数据持续测量大约30分钟。4、风速的测量方案在顶层屋面处放置风速仪，如图4所示，并与顶层水平振动的测量方案1的测点同步测量。传感器可以通过有限元软件建立模型，通过对模型的分析计算，在结构上安置加速度传感器，监测施工过程中各施工工况及环境因素对已完成结构部分的动力性能，实测结构在环境激励下的加速度响应历程，经识别分析，得到结构的频率、刚度、阻尼等动力性能参数。通过实际测试得到的动力性能参数与理论计算的结果进行对比，保证结构的抗震性能。对于测点的布置，在已经施工的最顶层靠近剪力墙的两个水平方向都布置水平方图4.1 东塔第8层楼板传感器布置图传感器图4.2

19、 东塔第30层楼板传感器布置图传感器图4.3 西塔第8层楼板传感器布置图传感器图4.4 西塔第38层楼板传感器布置图传感器图4.5 西塔第54层楼板传感器布置图4.5.2顶层水平振动的测量方案1在顶层的相邻两边各选择一个测点，分别用一个传感器测每个测点两个水平方向的水平加速度，分别如图4.6和图4.7所示。每一个测点的每个方向均测量3组数据，每一组数据持续测量大约30分钟。传感器图4.6 东塔屋顶层水平振动测量方案1传感器布置图传感器图4.7 西塔屋顶层水平振动测量方案1传感器布置图4.5.3顶层水平振动的测量方案2在顶层的相邻两边各选择一个测点，分别同时用两个传感器，相距1m，测每个测点同一

20、个方向的水平加速度，分别如图4.7和图4.8所示。每一个测点的每个方向均测量3组数据，每一组数据持续测量大约30分钟。传感器图4.7 东塔屋顶层水平振动测量方案2传感器布置图传感器图4.8 西塔屋顶层水平振动测量方案2传感器布置图4.5.4风速的测量方案在顶层屋面处放置风速仪，如图4.9所示，并与顶层水平振动的测量方案1的测点同步测量。图4.9 风速仪放置图4.6数据的后续处理和分析1） 用matlab软件对采集的各条信号进行分析后得到竖向加速度响应曲线和加速度的绝对值的峰值；2） 用matlab软件对采集的各条信号进行分析后得到水平加速度响应曲线和加速度的绝对值的峰值；3） 用matlab软件对采集的各条信号进行分析后得到风速时程曲线和风速峰值；4） 通过功率谱曲线估算结构前三阶振型；5） 通过随机子空间方法估算结构第一阶频率和第一阶阻尼比。5、施工期及正常运营期健康监测系统造价概算费用汇总表序号项目单位数量单价（万元）总价（万元）说明1传感器及采集设备项12102102安装费用项140403数据分析及软件开发费项17070合计-320