部分闭合式型钢混凝土巨型柱时变性能演化规律及预测模型

Mega steel-concrete composite members are widely employed in super high-rise buildings. However, study on time-dependent behavior for steel reinforced concrete mega columns, especially for Partially Enclosed Steel Reinforced Concrete (PESRC, hereinafter to be referred as PES) mega columns, is seriously lagged behind the demands of engineering construction. Due to their huge sizes, inhomogeneous humidity distribution inside columns, and constraint effects of steel to concrete, traditional concrete time-dependent prediction models and analytical methods are not appropriate for PES mega columns. In this project, model tests and field monitoring and theoretical derivation and numerical simulation are set as the main research means. First, the humidity distribution and its evolution law inside columns are studied, and the prediction model for humidity distribution is established. Then, the influences of various humidity distribution and temperature on shrinkage and creep behavior for mega columns are investigated. Moreover, the coupling effects between temperature and humidity are analyzed, and the time-dependent prediction model for PES mega columns are established. Finally, based on the research results of PES members, we develop the control methods of time-dependent effects for super high-rise structures consisting of PES mega columns and core walls, including the methods of deformation control and construction process optimization. The study will provide testing and theoretical references for the setting of relevant specifications.

巨型钢-混凝土组合构件在超高层建筑中广泛应用，但目前对其时变性能的研究远远滞后于工程建设的需求，特别是近年来出现的部分闭合式型钢混凝土（PES）巨型柱，由于其体型巨大、截面湿度分布不均匀、型钢对混凝土的约束作用等影响因素，现有的混凝土时变预测模型及分析方法难以胜任。本项目针对PES巨型柱时变性能，借助模型试验、现场监测、理论推演及数值计算等方法，首先对巨型柱截面的不均匀湿度分布开展深入研究，揭示巨型柱内部湿度随时间的演化规律，建立PES巨型柱湿度动态分布计算模型；随后开展不同湿度分布下的巨型柱收缩和徐变性能研究，考察温度作用对时变性能的影响，探明温度和湿度的耦合效应，建立考虑湿度分布和温度作用的PES巨型柱时变预测模型及分析方法；最后在上述构件研究成果的基础上，进一步研究超高层PES巨型柱-核心筒结构长期变形累积规律和施工时序确定方法等内容。研究成果可以为相关规范的制定提供试验和理论基础。

部分闭合式型钢混凝土巨型柱中，开敞部分的混凝土存在湿度梯度，闭合部分的混凝土水分受型钢约束而无法向外扩散，其湿度分布和时变性能不同于常规的钢管混凝土或型钢混凝土构件，现有的收缩和徐变预测模型因未考虑型钢对混凝土内部湿度的影响，直接应用现有预测模型将高估该类巨型柱的时变变形。鉴于此，本项目借助模型试验、理论推演及数值计算等手段，深入研究了部分闭合式型钢混凝土巨型柱时变性能演化规律并提出预测模型。首先，开展了素混凝土、钢筋混凝土和型钢混凝土构件的湿度和收缩试验，明晰了型钢对混凝土内部湿度扩散的影响并进行了量化分析，揭示了型钢混凝土柱内部湿度的发展规律，建立了考虑湿度分布的部分闭合式型钢混凝土柱湿度扩散模型。其次，基于模型试验、理论推导和数值模拟等方法，考虑型钢对混凝土湿度扩散的阻碍作用，揭示了型钢形状参数对巨型柱收缩变形的影响规律，给出了型钢混凝土柱内部湿度与收缩变形的量化关系，提出了考虑湿度分布的部分闭合式型钢混凝土柱收缩预测模型。然后，基于混凝土湿度扩散理论，提出了基于等效体表比的部分闭合式型钢混凝土巨型柱的徐变效应计算方法。最后，在结构层级方面，针对超高层钢-混凝土组合结构的巨型柱和核心筒竖向变形差异问题，研究了超高层混合结构考虑时变效应的长期变形累积规律，结合施工时序分析，提出了考虑收缩和徐变效应的超高层结构竖向变形分组补偿方法。此外，以采用部分闭合式型钢混凝土巨型柱的上海中心大厦为研究对象，揭示了超高层结构的风致动力参数时变演化规律。项目研究成果已应用于上海中心大厦、天津117大厦等超高层结构的时变效应预测中，可以为类似超高层混合结构的设计和施工提供科学依据，为相关规范的制定提供理论基础，具备良好的应用前景。