混合结构竖向变形差的理论分析

摘要：近年国内建成或在建的高层及超高层建筑数量己达数百幢之多，其中除少数仍采用传统的钢筋混凝土结构形式外，大多数尤其是超高层建筑均采用了钢--混凝土混合结构形式。它由钢筋混凝土结构和钢结构两部分组成，主要是抗侧力结构的混合。本文就混合结构竖向变形进行分析

关键词：结构，混凝土，变形

型钢混凝土框架--混凝土剪力墙（筒体）混合结构体系，充分发挥了钢结构和钢筋混凝土结构的各自优点，并加以综合利用，是用于高层住宅的又一经济、高效的结构类型。但是，高层混合结构柱、墙（筒）这两类竖向构件，由于型钢混凝土柱主要作为承重构件，而墙（筒）作为抗侧力构件承担了90%以上的风、地震之类水平荷载作用，因此墙和柱截面的轴向压应力不同，轴向应力差导致钢构件和混凝土构件产生不同的弹性缩短。

各种因素引起的墙、柱缩短，就一个楼层而言，数值并不大。然而，在高层和超高层建筑中，由于各楼层竖向构件缩短的累积，缩短的总量将是很可观的。据文献所作的估计，高层建筑柱子由弹性变形、收缩和徐变引起的总缩短量，每一百米高度可达100mm，一幢按305m高度设计的钢结构或钢筋混凝土结构高楼，由于重力荷载引起的竖构件的缩短，以及混凝土的收缩和徐变所引起的缩短，如果未采取相应措施，大楼建成以后，实际高度很可能只有304.5m。若各个竖向构件的等量缩短，对于建筑外观和使用功有没有多大影响，但它对各种管道和电梯轨道的影响却是不容忽视的。

1竖向变形差产生的原因

在一栋超高层建筑中，各种柱或竖向承重构件所承受的轴向荷载很少相同，柱、墙、筒等竖向构件承受的荷载与其轴向刚度比值也不同，再加上收缩和徐变效应，这就产生了所谓的竖向变形差。

上世纪五十年代以前建造的高楼，结构体系简单，竖向构件的形式单一。采用框架体系时，竖向构件均为柱，层数很少超过20层。由于当时的材料强度较低，设计安全系数较高，构件的截面尺寸较大，竖向压应力较小，所以，构件竖向变形对结构设计的影响是次要的，可以忽略不计。六十年代以来，钢筋混凝土结构的高楼，从20层一跃到60层，少数高楼更超过70层。与此同时，钢筋和混凝土的强度急剧提高，设计理论又从容许应力转变为极限强度，从而使构件截面减小了很多，竖向应变急剧增长。在结构的竖向构件中，柱、墙和墙筒同时使用，各构件由于竖向压应力的不同，就会产生较大的竖向变形差。近年来得到较大发展的钢--混凝土混合结构，由于结构高度的大幅增加，进一步加大了竖向构件的变形差。

在不断的工程实践中，工程师们逐渐注意到钢筋混凝土结构设计中的徐变和收缩问题，通常都认为徐变的作用是有利的，因为它可通过荷载重分布将应力集中区域的力传到应力较低的区域。另一方面，收缩被看做是不可避免的，必须承受。温度变化引起的结构变形，可通过合理设计节点以及对某些部位适当加强，以减小其影响并吸收部分应力。因此，在一定长的构件内，这种变形是可以允许的。然而，随着建筑物高度的增加，由于累积变形，柱子和剪力墙的长度缩短问题变的非常重要。在使用泵送混凝土施工的建筑中，因为比搅拌正常混凝土需要更多的水，尤其应注意其潜在的徐变和收缩。

综上所述，影响高层建筑结构竖向变形差的因素很多，其主要有以下几个原因：竖向构件竖向应力差；混凝土的收缩和徐变；结构内外的温度差；结构不同构件的施工时间差等。

2竖向变形差对结构的不利影响分析

在平面混合结构中，由于柱和墙的竖向变形差的影响，将对结构在建筑的使用和建筑结构方面产生不利影响，主要有以下几个方面：

①构件附加内力

竖向构件轴向变形在结构中引起的附加应力，其大小并不决定于总变形量的大小，而是取决于各个竖向构件的变形差。相邻竖向构件的变形差，相当于施加于竖向构件之间梁或板的强制支座位移，这使梁或板产生附加弯矩和附加剪力。某种情况下，若不采取适当措施，在梁、板内引起的次应力可能会达到较大的数值，甚至导致构件开裂。

在核心筒，框架体系、筒中筒体系或框架--支撑体系中，设置的帽析架和腰析架，由于它的竖向抗弯刚度很大，外柱与内筒之间不大的竖向变形差，就会使析架杆件产生较大内力。而且这些内力的正负号正好与侧力作用下的内力符号相反，原来的拉杆有可能变成压杆，并有可能会受压失稳。可见，有竖向变形差而引起的结构构件附加内力，对结构的工作性能是有很大影响的，竖向变形差的这种后果是不容忽视的。

②荷载重分布

在一个结构中，如果起初的荷载分布，使结构的某几根竖向构件所产生的轴向变形，大于其它竖向构件。变形差出现后，由于连接各竖向构件的水平构件，沿平面具有一定的抗弯刚度，它使水平构件自身产生一定的附加弯矩和附加剪力；同时，水平构件中的这些附加剪力，又会带来重力荷载在竖向构件间的重分布，使部分荷载从竖向变形量大的构件转移到竖向变形量小的构件。这样的结果是，有较大压缩的竖向构件出现卸载现象；相反，较小压缩量的竖向构件有所增载。

③钢筋（型钢）和混凝土应力变化

钢筋混凝土杆件或构件，因为存在纵向钢筋，由于混凝土的收缩和徐变所引起的缩短量将有所减小。随着时间的增长，混凝土的收缩和徐变，使构件所承担的重力荷载逐步地由混凝土向钢筋转移。在配筋率较高的柱中，特别是在型钢混凝土柱中，重力荷载最终可能大部分传递到纵向钢筋或型钢上。由于混凝土的收缩和徐变，在结构构件中钢筋和混凝土之间引起的荷载重分布，只是改变了钢筋和混凝土各自的承担的荷载比例，并不会影响到构件的总承载力。

④楼面倾斜、隔墙开裂以及管道和电梯受损

竖向变形差很大时，如果施工下料没有考虑到由于变形影响的补偿量，那么很容易造成结构楼面的倾斜以及隔墙的开裂。竖向变形在每层的量是不大的，但竖向变形的楼层累积效应，可能在结构的某层出现相当可观的变形差，这种过大的变形差就可能会导致某些非结构构件的损坏，如高层建筑中的各种管道、电梯在较大竖向变形差下的损坏，严重者可能影响其正常工作。

综上所述，影响平面混合结构竖向变形的因素有很多，且对结构有诸多的不利影响。由于对于混凝土的收缩和徐变，结构内外的温度差，结构不同构件的施工时间差等因素的复杂性及不不稳定性，本文对于竖向变形差的研究，主要是考虑在竖向荷载和水平荷载作用下，由弹性压缩下产生的竖向变形差对结构的变形性能及受力的性能的影响。