建筑黑科技——高层混凝土收缩徐变分析技术研究与开发
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2014年以来，国内200m以上高层建筑建成共计381幢，其中300~400m的建筑占40%以上，超高层建筑越来越多。高层建筑结构从施工到使用阶段，混凝土的收缩徐变特性对结构的长期竖向变形和内力重分布有重要影响。高层混合结构设计时应进行考虑收缩徐变特性的施工全过程分析。
超高层建筑
混凝土收缩徐变分析影响因素多而复杂，材料时间相关属性的定义、构件中布置的钢筋与型钢、施工加载过程的模拟等对分析结果均有较大影响。目前常用分析软件有Midas Gen、SAP2000和Etabs等，均未能合理考虑钢筋特别是型钢对收缩徐变的限制作用，所得结果缺乏合理性；此外，材料时间属性和精确施工模拟过程均十分耗费时间。
为提高分析精度和效率，以SAP2000为分析平台，开发了高层结构收缩徐变分析前后处理软件，采用钢材和混凝土分离式建模生成精细有限元模型，考虑了钢材对混凝土收缩徐变的限制作用。同时实现了精确到构件的收缩徐变时变材料特性参数化定义和非线性施工模拟过程的快速定义。
软件著作权
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混凝土材料时变特性定义
混凝土应变组成
混凝土时变属性包括抗压强度、弹性模量、收缩和徐变，不同规范预测模型结果存在较大离散性。下图为最新版SAP2000和Midas Gen包含的收缩徐变模型。
最新版SAP2000和Midas Gen包含的收缩徐变模型
国内设计人员仍较多采用CEB-FIP-90 收缩徐变模型，该模型不适用于预测 C60 及以上的高强度混凝土，国外已升级至CEB-FIP-2010。由Gardner 和Lockman 提出的GL2000 模型可适用于高强度混凝土，其预测结果与实际观测结果拟合程度较好。对比相同条件C60混凝土三种模型时变特性结果如下图。
时变弹性模量对比
收缩应变对比
徐变系数对比
为快速批量进行混凝土收缩徐变预模型参数定义，在自主研发的前处理软件CSEPA中加入了材料定义功能，如下图对话框。
前处理软件材料收缩徐变参数定义
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钢筋、型钢和混凝土共同作用模拟
竖向构件中的含钢量越高，其对收缩徐变变形的限制作用越明显。对于配筋混凝土、钢管混凝土和型钢混凝土截面，采用钢筋、型钢和混凝土单元分离式建模方式来模拟钢材和混凝土的共同作用；对于剪力墙中的钢筋，采用轴向刚度等效的方式，根据配筋面积相应放大剪力墙混凝土的弹性模量。若剪力墙中还内嵌有型钢或钢板，同样采用分离式建模模拟。
钢筋、型钢和混凝土共同作用模拟方法
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非线性阶段施工过程定义
高层结构真实施工过程中，核心筒通常超前外框架施工5~15层，伸臂桁架斜腹杆、腰桁架斜腹杆于结构封顶后固定。软件模拟通过先定义不同“构件组”，再在不同时间步依次激活这些“构件组”的刚度和荷载来实现。
非线性阶段施工工况需定义施工序号、构件组、施工步持时、混凝土添加临期等信息，过程复杂。在CSEPA前处理软件中加入了施工阶段定义功能，实现了全楼自动定义核心筒超前施工构件分组，极大缩减了非线性阶段施工工况定义时间。
前处理软件施工阶段定义
导入SAP2000生成的非线性阶段施工工况
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收缩徐变后处理-SAP2000API开发
利用SAP2000提供的API接口开发了收缩徐变分析后处理软件，可读取指定位置竖向构件在各楼层、各施工步下变形和轴力结果，并自动输出到Excel绘制图表。
后处理界面
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工程应用
某“门”形超高层连体建筑项目，主楼屋面标高233.6m，标准层层高为4.2m、4.4m，避难层层高为4.4m、4.5m、4.7m、4.8m，地上共计54层，主要抗侧力体系为“钢框架（钢管混凝土柱）+钢筋混凝土核心筒（含钢骨）+伸臂桁架+腰桁架+连体巨型跨层桁架”。其单塔底层结构平面图如下图，图中C1为钢管混凝土角柱（Φ1200×32mm），W1为角部剪力墙（墙厚950mm），S1为W1墙内嵌的钢骨（等边十字工600×250×30×40mm）。
单塔结构平面图
模型转换生成
本工程施工过程模拟共分为61个施工步，共历时7675天。核心筒超前外框架施工5层，塔楼平均每6天一层，两个塔楼均封顶后施工46~54层连体，结构添加过程为前58个施工步；第59施工步为封顶时，全楼施加附加恒载和0.5倍活荷载；第60施工步为封顶2年后，第61施工步为封顶20年后。
施工步骤表
施工模拟动画
为对比不同收缩徐变预测模型对结果的影响，分别建立以下4个计算模型：1）CEB FIP90模型；2）CEB FIP2010模型；3）GL2000模型；4）不考虑收缩徐变模型（No C/S）。重点对比封顶时（阶段59）、封顶2年后（阶段60）和封顶20年后（阶段61）3个施工步竖向构件的变形和轴力结果。
考虑荷载长期效应的竖向构件变形
竖向变形
(a)封顶2年后C1变形 (b)封顶2年后W1变形
(a)封顶20年后C1变形 (b)封顶20年后W1变形
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C1-W1竖向变形差
(a)封顶2年后 (b)封顶20年后
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竖向构件轴力变化
分别统计GL2000模型结果中C1-W1-S1和C1-C1钢管-C1内填混凝土从封顶至封顶2年后轴力变化曲线结果如下。
(a)C1-W1-S1 (b)C1-C1钢管-C1内填混凝土
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结语
本文主要介绍了高层混合结构收缩徐变分析技术几个重要问题和研发的前后处理软件部分功能。软件可有效地提高分析模型定义和计算结果提取效率。
研发团队成员
张慎、胡文进、王杰、孟仲永、程明、丁世伟
中南建筑设计院 工程数字技术中心
电话：027-87265723 / 027-87338287
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工程软件研发室把握行业发展方向，结合公司博士后科研工作站，进行前沿工程及软件技术研发，并将科研成果转化为生产力，提高公司核心竞争力；参与20余项公司重大项目投标及复杂结构的设计与分析。先后主持住建部科学技术计划项目2项，湖北省住建厅建设科技计划项目3项，取得国家实用新型专利3项，软件著作权20项，在国内、外公开发表期刊论文20余篇。
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