高层钢管混凝土柱-混凝土核心筒结构的柱底内力分析
谢圆
华南理工大学土木与交通学院广东广州510640
摘要：高层钢管混凝土柱-混凝土核心筒结构内外竖向构件的材料性质差异显著，由此造成结构一定的变形差异。本来通过具体的工程实例，讨论在混凝土收缩徐变以及模拟施工下，结构柱底的内力变化，分析表明，竖向变形差异对结构构件的设计内力存在一定的影响，实际工程设计中应考虑这一影响。
关键字：钢管混凝土；混凝土核心筒；收缩和徐变；施工模拟；柱底内力中图分类号：TV331 文献标识码： A
引言
由于目前城市用地越来越紧张，为了充分利用有限的用地，高层和超高层建筑在我国各地迅猛发展。随着建筑高度的增加，水平作用的影响也相应增大，侧向位移也增大很多。在各地修建的高层、超高层建筑很多都是采用框架-核心筒结构体系，框-筒结构具有很强的抗侧刚度，又能满足建筑功能的要求。为了减少柱截面的大小，增加建筑平面的使用面积，钢管混凝土柱-混凝土核心筒结构应运而生。它由钢管混凝土柱和混凝土核心筒组成结构的基本抗侧力体系，钢管柱的承载力大，延性好，核心筒内部一般布置电梯间及楼梯间等公共设施用房，以扩大核心筒的平面尺寸，减少内筒的高宽比，增大内筒的侧向刚度，可以充分发挥二者的各自优点，这种结构形式被越来越多的应用于超高层建筑中。
柱截面采用钢管混凝土柱，内筒采用钢筋混凝土核心筒，内、外筒体截面材料性质差异显著，在重力荷载作用下将产生一定的竖向变形差异[1]。这些差异将对结构的受力和使用功能产生不可忽视的影响，在结构设计时应进行相应的分析考虑。
1 高层建筑竖向变形差异
混凝土的收缩是指是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象，主要是由于混凝土暴露在空气中，混凝土硬化过程中化学反应产生的凝结引缩和混凝土内的自由水蒸发产生的收缩。而混凝土的徐变是指混凝土在荷载和应力不变的情况下，在一个相当长的时间内持续变形的特性。
钢管混凝土柱和混凝土核心筒体系在竖向荷载下，由于构件轴向应力的差异以及混凝土不可避免的收缩和徐变效应，钢管柱与筒体之间存在不可忽略的竖向变形差异[2]，会引起建筑结构显著的内力重分布，原来压缩较大的竖向构件部分卸载，而原来压缩较少的竖向构件会增加一定程度的荷载，给结构的安全留下隐患。
高层建筑结构中构件的内力，特别是在重力荷载作用下的内力，与施工还有非常紧密的联系。结构真正的承载形式是建筑一层一层施工完成后，荷载在逐层施加。如果只考虑重力荷载一次性施加，一次形成结构整体刚度矩阵，不考虑整个结构随着施工过程逐层找平，重力荷载逐层施加这一实际结构生成状况，会使得计算得出顶层构件的竖向变形值与变形差将远大于实际情况，对结构的受力会非常不利。因此，进行合理的施工过程模拟是非常必要的。
文[3]要求对混合结构进行竖向荷载作用计算时“宜考虑柱、墙在施工过程中轴向变形差异的影响，并宜考虑长期荷载作用下由于钢筋混凝土筒体的徐变收
缩对钢梁和柱产生内力的不利影响”，文[4]中“计算长期荷载作用下钢(钢管混凝土)框架-混凝土核心筒结构的变形和内力时，考虑混凝土徐变、收缩的影响，混凝土核心筒的轴向刚度可乘以0.5～0.6的折减系数”。柱底的轴力是结构进行基础设计的基本条件，能够得到结构柱底准确的受力情况对于保障结构的安全意义非同一般，本文将通过具体的工程实例讨论分析在考虑施工模拟和混凝土收缩徐变下，钢管混凝土柱-混凝土核心筒结构柱底的内力变化，以正确的指导结构的基础设计。
2 柱底内力的计算
2.1 工程概括
该工程位于广州市，36层结构高度153.7米，地下4层为人防及车库，裙楼地上5层，高度为23.5米。建筑抗震设防分类为丙类建筑。抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，结构安全等级为二级，设计使用年限为50年。该建筑采用钢管混凝土柱-钢筋混凝土核心筒结构体系。圆形钢管混凝土截面分别为
1100mm-20mm、1000-20mm、900mm-18mm、800mm-16mm,内灌C60～C45的混凝土，核心筒外围剪力墙厚度为600～400mm，核心筒内部剪力墙厚度为400～200mm，剪力墙混凝土强度等级由C60变为C45。
2.2 计算结果分析
本文采用盈建科结构计算分析软件对该工程进行计算分析，分四种情况进行计算：不考虑施工模拟和混凝土核心筒的轴向刚度不折减（情形1）、不考虑施工模拟和混凝土核心筒的轴向刚度折减（情形2）、考虑施工模拟3和混凝土核心筒的轴向刚度折减（情形3）、考虑施工模拟3和混凝土核心筒的轴向刚度不折减（情形4），其中混凝土核心筒的轴向刚度的折减系数为0.5，用来模拟考虑核心筒混凝土的收缩徐变的影响。分别选取2根角柱和4根边柱的在标准组合下的轴力，如下表1所示：
表1 柱底轴力
的轴力都有影响，有些柱底轴力的影响已经超出工程的允许误差范围，且核心筒混凝土收缩徐变的影响比施工模拟的大，同时还可以看出角柱受两者的影响比边
柱的要小，在高层钢管混凝土柱-混凝土核心筒结构的设计阶段应重视采用考虑核心筒混凝土收缩和徐变影响的施工全过程模型来校核柱底的轴力。
结论与建议
为了分析核心筒混凝土收缩徐变和施工模拟对高层钢管混凝土柱-钢筋混凝土核心筒结构柱底内力的影响，通过具体的算例，得出以下结论：（1）对于高层钢管混凝土柱-核心筒结构，由于内、外筒体截面材料性质差异显著，在重力荷载作用下将产生一定的竖向变形差异，计算分析时应采用与结构实际受力相符的模型，考虑施工阶段对结构的内力影响；
（2）在对高层钢管混凝土框架-核心筒结构基础设计时，应采用考虑核心筒混凝土收缩和徐变影响的施工全过程模型校核柱底的轴力，使结构设计更真实的接近于结构的实际受力状况。
参考文献
[1]尧国皇,于清. 高层钢管混凝土框架-混凝土核心筒混合结构的竖向变形差分析[J]. 建筑钢结构进展,2014,01:58-64.
[2]黄湘湘. 钢框架－钢筋混凝土核心筒体系考虑混凝土收缩徐变的竖向变形差研究[D].湖南大学,2009.
[3] JGJ3- 2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[4] 广东省建设厅.DBJ15-92-2013高层钢筋混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2013
