施工加載計算方面的一些概念

趙變青

(太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002)

1 概述

對于建筑結構的分析，一般是建立整個模型后，同時施加荷載來進行分析的。但是施工過程有其客觀性:一般是從下而上順次施工(逆作法除外)，上部未施工部分剛度對下部結構無影響，結構構件內力分布隨施工進度變化并與一次加載存在很大的差別;荷載主要是重力荷載和施工施加荷載。而且隨著施工階段的不同，各個構件的齡期也是不同的，因而構件在彈性模量、材料強度等材料特性參數上也會存在階段性的差異，特別的表現在混凝土的徐變、收縮、強度后期增長以及PS鋼束松弛等。在施工階段和施工完成后，這些應力和內力是隨著時間變化的。

這個過程是客觀存在的，而且有別于常規設計時的正常使用狀態;當結構體系隨施工階段變化時，最大內力狀態極有可能發生在施工階段期間，其內力狀態應該引起設計人員的注意，并成為設計的一個部分，保證結構在各個階段的安全和滿足正常使用。

下面就以簡單的平面框架為例子，限于篇幅僅就施工階段的軸向力、施工順序對結構的內力影響作用加以說明，以期能引起設計人員對各種因素引起施工階段內力的變化的注意。

2 施工荷載引起各豎向構件不同的變形引發的結構構件內力附加

考慮到抗側力需要，以及延性等的要求，內側的、外側的和底層、上部的抗側力構件截面往往不同，在豎向荷載作用下同一層的豎向構件會產生不同的豎向變形，協調這些變形各個構件會產生內力分布;另外對于柱子和墻體等豎向剛度差異較大的構件相鄰布置時，也會由于剛度的不均衡差異產生不同的變形;對于鋼筋混凝土結構，由于混凝土的彈性系數在施工養護期間也是不斷變化的，也會導致不均衡的變形。建筑物的高度越大，這種差異會越明顯。這是設計需要考慮的施工過程中的結構內力。

下面以一個平面框架為例，一次性加載來說明上述問題。采用的計算程序為SAP2000，圖1為對豎向框架柱的軸向剛度加以修正，模擬為無限剛度不考慮柱軸向變形下的彎矩圖;圖2為考慮軸向變形下的彎矩圖。其中一些節點的內力差別如圖1，圖2，表1所示。

從表1數據中可以看出來，考慮與不考慮豎向剛度影響差別可以達到40%以上。這種不協調的變形將會導致梁構件上產生附加剪力和彎矩，并對與梁構件相連的柱和其他的構件產生內力的影響。值得指出的是，有時采取施工階段補正的做法，來保證層高相同，但是實際中這種變形的差異仍然是存在的，而且隨著上部結構的施工這種誤差會累積。設計過程中如果無視這種誤差的存在，會過小的估計了構件尤其是水平構件的內力，會埋下不安全的隱患。

圖1 不考慮柱軸向剛度（EA×105）

圖2 考慮柱軸向剛度（EA×10-2）

表1 不考慮剛度和考慮剛度的內力差別

3 施工順序和加載順序引發的結構構件的內力附加

實際工程中的建筑任意層的施工階段包括自重荷載對于上一層的結構是沒有影響的。比如說一個鋼筋混凝土框架結構的施工，在某一層澆筑完柱、梁、板之后，經過一定的養護期，再施工上一層結構，這一層的在施工荷載下的變形基本已經達到一定的程度。那么上一層結構的內力是幾乎不受下一層結構施工荷載變形的影響的。但是，如果采用通常的設計計算方法，建立了整個模型，同時施加荷載，那么每一層都會對上一層的結構產生內力的影響。這就與實際施工過程不符。考慮到實際的施工順序，實際是結構剛度變化的過程，計算的結構剛度矩陣式變化的，后一次計算以前一次計算的變形為基礎，實際上是一個非線性計算的過程。圖3通過一個平面框架來說明一次加載后的內力和依實際施工順次加載的內力的差別。分步加載和一次加載的內力差別見表1。

從表2可以看出，比起一次性建模、加載結果，按照客觀的施工分析內力有的相差兩倍之多。比如1節點產生的彎矩比一次加載的要大很多，主要原因就是在施工一層時未收到二層相應豎向構件的約束導致，也就是說一次加載1節點出的力是由一層、二層共同分擔的，而施工分步加載僅由一層處承擔所致。所以一般的分析方法計算的結果是存在誤差的。

圖3 加載結果

表2 分步加載和一次加載的差別

考慮到抗側力需要以及延性等的要求，內側的、外側的和底層、上部的抗側力構件截面往往不同，在豎向荷載作用下同一層的豎向構件會產生不同的豎向變形，協調這些變形各個構件會存在很大的內力，尤其是大規模重力荷載作用下更為明顯;客觀的施工程序和結構內力變化與一次加載存在很大的差異;施工加載計算方式可以使用順次加載計算、構件拆除等方法，要符合客觀規律，如果不能滿足客觀的情況應對計算結果判讀、修正到可以應用的程度。施工階段計算是一個重要的步驟，應加以重視。

[1]傅學怡.實用高層建筑結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2001.

[2]北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社，2000.