摘要：本文采用有限單元法和現場實測試驗相結合的方法研究型鋼混凝土梁式轉換結構在施工過程中的受力狀態和承載性能。在現場實測試驗中，跟隨施工過程監測了梁式轉換結構的撓度和應變隨著轉換結構承托樓層數增加的變化規律。在有限元理論分析中，不僅模擬隨施工過程而變化的結構及其所受的荷載，而且在模擬施工過程的時變結構中考慮了混凝土收縮和徐變的影響。結果對比發現，模擬施工過程并考慮混凝土收縮和徐變后的計算結果與現場實測結果吻合較好。

　　關鍵詞：型鋼混凝土,梁式轉換結構,現場實測試驗,收縮,徐變

　　1 前 言

　　某工程局部采用了大跨度型鋼混凝土轉換梁結構，轉換層上部12層框架結構由梁上柱傳遞到轉換梁中部，轉換梁受力非常集中，高應力下徐變作用較顯著，且主體結構施工長達5個月，正是混凝土徐變與收縮快速增長期，結構設計雖然考慮了施工過程對結構內力和變形的影響，但是現有的有限元軟件還未能考慮施工過程中混凝土收縮、徐變、溫度等因素對結構內力和變形的影響。由于高層建筑設計規范中未給出計算混凝土徐變的明確條文，考慮徐變對高層結構的影響還只能引用橋梁結構中比較成熟的徐變系數方法來進行[3]。通過編程迭代計算，結果表明考慮收縮徐變后實測結果與有限元計算結果比較一致，較真實的反映了施工期轉換梁的荷載傳遞規律。

　　2 工程概況

　　該工程高65m，地上15層，地下3層，埋深17.0m。該建筑的體型和結構布置比較復雜，柱網尺寸縱向為8.1m，橫向為8m。為保證建筑底部有較大的使用空間，建筑物一二層部分區域柱網尺寸擴大為16.2m，設計者在結構樓面第3層布置了16.2m跨型鋼混凝土轉換梁，其轉換層平面布置如圖1所示�？蛑е�和被轉換柱采用型鋼混凝土柱，并向上延伸一層，型鋼混凝土柱內配焊接十字形型鋼。

　　3 實測方法

　　考慮到現場條件，選用溫度自補償式的振弦應變計，該應變計不但能夠測到結構的應變，而且能夠同時監測到儀表埋設處的溫度，并對由于溫度變化所引起的測試誤差進行修正。測試前用混凝土將應變計保護好，在結構施工過程中埋人到混凝土構件中，埋入后，每施工一層就實測一次，直至主體結構封頂。根據初步計算表明，轉換托柱主要承受軸壓力，所以在中柱對稱布置四個測點，測點布置如圖2所示。利用GK-404便攜式讀數儀直接對測點的應變進行測試，并根據混凝土的彈性模量計算混凝土的應力。

　　由應變計直接得到的數據是頻率F(Hz)和溫度T(oC)，應變可按下面公式計算：式中G為儀器標準系數，Fi為第i次測量的頻率值(HZ)，F0為頻率初始值(HZ)，T1為環境溫度(℃)，T0為初始溫度(℃)，K為溫度修正系數。

　　4.1 測試數據分析

　　在真實結構中，混凝土的徐變、收縮以及荷載應變是混雜在一起的，即采用振弦式應變計實測得到的應變是荷載應變、混凝土收縮應變和徐變應變的總和，如果直接用所測得應變按照(2)式計算得到的是混凝土結構的“名義應力”，而不是真實應力，而由名義應力直接計算得到的軸力轉換托柱的“名義軸壓力”。

　　轉換中柱的混凝土彈性模量按實驗室測定值取2.72×104MPa，型鋼混凝土柱軸向剛度按《型鋼混凝土組合結構技術規程》(JGJ 138-2001)中的疊加法計算。

　　由實測應變換算得到轉換中柱的“名義軸壓力”如表1所示。由表可知施工第3層和第4層轉換中柱軸壓力增量分別為1151.1kN、1010.5kN，而根據粗略的估算，轉換中柱上部樓層自重荷載全部施加到中柱上也就400kN左右，這說明由實測的“名義應變”直接計算的柱子軸力不能反映結構真實受力情況。因此必須在實測應變中扣除收縮徐變的影響，才能得到真實的荷載應變。

　　4.2 混凝土收縮徐變對應力分析的影響

　　混凝土的收縮是隨時間變化的，它的產生與應力無關。根據Gardner和Lockman提出了預測混凝土經時收縮和最終收縮的經驗公式(GL式)[2]，混凝土收縮應變可以表達為：

　　式中： 為相對濕度(以小數表示); 為混凝土齡期(d); 為結束潮濕養護、干燥開始的齡期(d); 為體積/表面比(mm); 為28d混凝土抗壓強度(MPa)。對ASTM Ⅰ型水泥，K=1;對Ⅱ型水泥，K=0.70;對Ⅲ型水泥，K=1.15。

　　混凝土的徐變模式和計算方法很多，沒有統一的形式。當前國內比較常用的有CEB-FIP模式、BP模式、ACI209模式以及其它模式[5],這幾種模式考慮的影響因素不盡相同，得到的計算結果也不一樣。因為這些模式都是經驗公式或半經驗公式，并且均是在特定的試驗條件下獲得的，各有特點。

　　歐洲混凝土委員會和國際預應力混凝土聯合會(CEB-FIP)于1978年提出的混凝土構件平均徐變的表達式，目前國內公路橋涵設計規范也采用該模式，雖然型鋼混凝土構件與鋼筋混凝土構件混凝土徐變性能有一定的區別，但是國內外關于型鋼混凝土徐變還沒有成熟的理論，所以本文考慮型鋼混凝土徐變時也采用規范中模式：

　　規范中各系數均用圖表形式給出，為方便程序計算，其各個圖表擬合后的公式如下式中， 和 是依周圍環境而定的系數， 是依理論厚度而定得系數，均可從規范表中直接查得; 為混凝土構件截面面積; 為與天氣接觸得截面周邊長度。根據徐變理論[4]，徐變應變的表達式為：混凝土在收縮徐變時會受到受力主筋、工字鋼的阻礙作用，所以計算型鋼混凝土收縮徐變影響時要乘以折減系數由表2可知，施工期內，收縮應變與徐變應變都很大，50天齡期后徐變應變超過收縮應變。徐變應變與收縮應變和接近總應變的一半。

　　轉換中柱軸壓力實測值、考慮收縮徐變后的修正值及考慮施工的理論值之間的比較。由圖可知，考慮收縮徐變后，實測值與Ansys模型計算值吻合較好，修正后實測值真實反映了型鋼轉換梁結構隨上部樓層增加的荷載變化情況，可以看出當轉換層上部結構超過8層后，后增荷載對轉換中柱的壓力增加較為有限，此時轉換層上部結構結果已經形成拱效應。

　　5 結 論

　　(1)實測數據表明施工期收縮徐變變形顯著，收縮徐變應變之和接近總應變的50%左右，設計時必須予以考慮。施工某一樓層之前以下各層已產生的彈性變形及收縮徐變變形對該層構件不產生影響，因此分析收縮徐變對高層建筑影響要考慮施工過程。

　　(2)型鋼(鋼筋)對混凝土收縮徐變變形有較大約束作用，計算收縮徐變量時要考慮型鋼(鋼筋)對混凝土的約束影響。

　　(3)應用《公橋規》中的徐變系數模式，把相應圖表擬合成方程后，可以方便的計算混凝土的徐變量。

　　(4)轉換層上部樓層超過8層后，后增荷載引起的轉換中柱的內力增長非常有限，上部結構形成拱效應，可以認為轉換梁中的內力不再隨轉換層上部結構樓層的進一步改變而改變。

　　參考文獻：

　　[1] 王鐵夢.工程結構裂縫控制(M).中國建筑工業出版社, 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] 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTJ023-85)

　　[4] 周履 陳永春.收縮徐變.中國鐵道出版社, 1988

　　[5] 鄒小江 壽楠椿等.高層建筑考慮施工過程的徐變收縮分析.建筑結構, 2002(3): 3~6

　　[6] 劉軍進 呂志濤.金山大廈轉換梁的實測及分析.建筑結構, 2002(2):35~37