型鋼混凝土轉換桁架施工精確模擬分析

鄧年春,鄧路云,鄧宇

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧545005;2.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州545006)

型鋼混凝土轉換桁架施工精確模擬分析

鄧年春1,2,鄧路云2,鄧宇2

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧545005;2.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州545006)

研究型鋼混凝土轉換桁架施工過程的內力發展情況.以有限元軟件Midas/Gen為計算平臺，采用精確的施工模擬方法，對廣西柳州市柳東新區某企業總部大樓進行施工模擬，進而詳細分析了型鋼混凝土轉換桁架在施工過程中的內力和位移變化規律.結果表明:隨著施工的進行，結構內力總體呈增大趨勢，但存在內力突變.可以確定型鋼混凝土轉換桁架施工過程中的最不利位置，為工程施工和類似工程的計算分析提供參考.

型鋼混凝土;轉換桁架;施工模擬

0 引言

利用轉換層結構實現建筑的垂直轉換，在大空間和大跨度的高層結構中大量采用［1］.目前普通的鋼筋混凝土結構和梁式轉換層結構已不能滿足高層以及超高層建筑結構的要求.轉換桁架在滿足結構垂直轉換的同時，又滿足高層結構大空間、大跨度要求.型鋼混凝土結構中的型鋼被混凝土包裹，提高鋼結構耐火性、防腐蝕性和受力穩定性，改善了抗震性能，在工程中逐漸被采用［2］;因此，在一些大跨度、高層結構中采用型鋼混凝土轉換桁架結構.目前，對型鋼混凝土轉換桁架施工過程，尚缺少過程的施工模擬分析［3-4］，本文擬以廣西柳州市柳東新區某企業總部大樓為依托，對型鋼混凝土轉換桁架進行施工階段模擬，為類似工程提供參考.

1 工程概況

圖1 柳東新區某企業總部大樓示意圖Fig.1 Liudong New District headquarters building

柳東新區某企業總部大樓位于柳州市柳東新區，立面圖見圖1，其結構是地下2層、地上20層，1層的層高為5.4 m，2層至20層每層的層高為4.2 m，建筑總高度為92.80 m.結構形式采用框架-核心筒結構(帶桁架轉換層).轉換層鋼桁架共四榀(B，E，G，K軸)，位于7層至15層樓面，鋼桁架與兩端核心筒上的鋼骨柱相連，鋼桁架凈跨度為50.60 m，高度為34.30 m.鋼桁架底與地下室底板面之間的距離為35.60 m.鋼桁架外包鋼筋混凝土，桁架之間在樓層部位采用鋼筋混凝土梁、板連接，型鋼混凝土轉換桁架底部距地下室底板面高度為35.45 m.

辦公樓四榀型鋼混凝土轉換桁架的施工順序是:首先，對四榀桁架整體提升;然后，從底板到7層進行高大模板支撐;最后，逐層澆筑7層至屋面層混凝土結構.

2 施工模擬建模

利用Midas/Gen有限元分析軟件，對結構進行建模分析.與施工過程類似，先建立轉換桁架兩側的塔樓模型，并用柱體系模擬7層施工的支撐體系.計算過程中，框架柱及轉換桁架的斜撐、豎柱和弦桿均采用梁單元，樓板和混凝土核心筒采用板單元;并考慮施工中各種荷載因素的影響(包括結構自重、施工荷載、混凝土收縮徐變等)［5］.

澆筑7層至屋面層混凝土結構施工步驟為:建立7層梁板的支撐體系和模板，綁扎7層梁板結構鋼筋并澆筑混凝土，待混凝土達到28 d強度后，搭設8層結構支撐腳手架和模板，澆注8層的混凝土，再待混凝土達到28 d強度后，搭設9層結構支撐腳手架和模板，以此類推逐層澆注施工，最后直至樓頂層封頂.部分典型施工階段模型見圖2.

圖2 部分典型施工階段模型圖Fig.2 Part of the typical construction stage model

3 施工模擬結果分析

在施工過程中，轉換桁架部分由鋼結構形式逐漸轉變為型鋼混凝土結構形式，由臨時支撐桿件連接的四榀鋼桁架轉換成由鋼筋混凝土梁連接的大空間型鋼混凝土轉換桁架，結構形式發生轉變，結構內力也不斷發生變化.在Midas/Gen中提取轉換桁架的斜撐、豎柱以及弦桿3類典型構件內力進行分析，由于轉換桁架結構受力基本對稱，故只取轉換桁架左幅構件進行受力分析.

3.1 斜撐受力分析

在整個施工過程中，斜撐單元受力最大，主要承受拉力和壓力，且內力分布均勻規則，關于17軸對稱，最大內力為壓力出現在與兩側塔樓連接處(即11軸～12軸之間斜撐)，滿足轉換桁架“強斜腹桿，強節點”原則［6］.具體內力情況見圖3所示(僅取11軸～14軸之間斜撐進行內力分析).

在整個施工階段，B與K，E與G榀桁架斜撐的內力變化基本相似，與兩側塔樓連接處的斜撐(即11軸～12軸斜撐)主要承受壓力(負值)，12軸～14軸斜撐主要承受拉力(正值).在施工到15層之前，斜撐受力分布相對較分散;施工完15層之后，斜撐內力變化一致均勻增大.

圖3 B,E,G,K四榀桁架斜撐Fx圖Fig.3 Axial force Fxgraph of B,E,G,K four axis truss bracing

以B榀桁架斜撐為例，圖3(a)中，每一條曲線代表一個斜撐，曲線上的點代表施工到該樓層時此斜撐的內力值.11軸～12軸斜撐承受壓力，12軸～14軸斜撐承受拉力，隨著施工樓層不斷升高，結構荷載逐步增加，剛度逐漸形成，斜撐內力不斷增大，當施工完成時，斜撐承受壓力最大可達11 160 kN，承受拉力最大可達8 205 kN.7層～9層斜撐橫跨兩層，在施工7層、8層時，此處斜撐一部分為型鋼混凝土結構，一部分為鋼結構，所受內力很小;當施工完第9層時，此處斜撐由鋼結構形式完全轉變為型鋼混凝土結構形式，剛度變大，所承受的壓力也大幅增長，這是第1個內力轉折點.隨著施工樓層繼續增高，結構荷載逐步增加，剛度逐漸形成，斜撐內力平緩增長.當施工完15層后，型鋼混凝土轉換桁架完全形成，傳力方向和位置發生變化，產生類似拱傳力的效果，使得結構受力更加均勻合理，11軸～12軸7層～9層斜撐所受壓力有所減小，這是第2個內力轉折點.隨著施工樓層繼續增高直至封頂，此處斜撐內力逐漸增大.實際施工時，應加強對此內力轉折處構件的實時監測.

3.2 豎柱受力分析

隨著施工的進行，結構逐漸成型，結構荷載逐步增加，剛度逐漸形成，豎柱內力由最初受拉逐漸變為受壓(以軸力Fx為例)，內力值逐漸增加，見圖4所示.在轉換桁架未施工完成之前(即施工15層之前)，上部結構傳力方式主要為向下以45。角的方向傳給斜撐，而豎柱受力均較小，多集中于±1 000 kN以內.四榀桁架中，底層第7層～第9層層間立柱在施工過程中以受拉為主，其他立柱隨著施工進度的進行由受拉逐漸變為受壓，并且各桿件內力對稱，其中14軸11層～13層豎柱承受最大壓力.

圖4 B,E,G,K四榀桁架立柱Fx圖Fig.4 Axial force Fxgraph of B,E,G,K four axis truss column

3.3 弦桿(型鋼混凝土梁)受力分析

施工過程中轉換層桁架型鋼混凝土梁主要承受壓彎作用，針對型鋼混凝土梁的內力分析，現提取各個施工階段各層梁的最大彎矩值可以體現型鋼混凝土梁內力分布規律［7-8］.隨著施工的進行，構件逐漸成型，結構荷載逐步增加和剛度逐漸形成，型鋼混凝土梁的內力(以彎矩為例)也逐漸增加.轉換桁架型鋼混凝土梁的彎矩內力以負彎矩(圖中取彎矩絕對值)為主，整體表現為在桁架端部、16軸～18軸大跨處彎矩較大.施工過程中梁的內力變化如圖5所示.

四榀桁架中型鋼混凝土梁內力(彎矩絕對值)變化情況基本一致，且與斜撐相似，由于結構形式轉變，均存在2個內力轉折點.且由于B榀轉換桁架16軸～18軸交第9層、第11層和第15層鋼骨梁的跨度較大，E榀轉換桁架16軸～18軸交第9層、第10層、第11層、第12層及第15層梁的跨度較大，梁的撓度較大且內力值有突變，在施工過程中應加強施工監控.從圖5可以看出，15層弦桿內力突變最大，實際施工時不應忽視.

4 結論

采用Midas/Gen軟件，以柳東新區企業總部大樓建設為背景，對型鋼混凝土轉換桁架施工過程進行精確模擬，繪制斜撐、豎柱以及型鋼混凝土梁的施工過程內力曲線，由分析結果可得出如下結論:

1)柳東企業大樓建筑結構基本對稱，整個施工階段，結構受力和變形也基本對稱.四榀桁架中，E，G兩榀桁架相較B，K兩榀桁架受力較大.隨著施工的進行，結構內力不斷增大，但存在內力突變.故結構設計時，應考慮到部分構件可能存在內力突變，適當調整構件截面;同時，施工過程中，還應監測可能存在內力突變構件的應力、應變情況;

2)兩端11軸～12軸、22軸～23軸之間斜撐以及14軸～16軸、18軸～20軸之間斜撐受壓，12軸～14軸、16軸～17軸、17軸～18軸、20軸～22軸之間斜撐受拉，斜撐受力大于豎柱和鋼骨梁.底層(7層～9層)豎柱受拉，上部豎柱受壓.鋼骨梁主要承受壓彎作用;因此，實際施工時可根據施工模擬結果初步確定受拉構件，并時刻監控是否產生拉裂縫，為結構的施工安全提供保障;

3)當型鋼混凝土轉換桁架為未完全施工完成時，桁架結構受力差異大，型鋼混凝土受力明顯大于上部鋼結構部分;

4)轉換桁架結構形式的轉變，即由鋼結構形式轉換為型鋼混凝土結構形式，內力傳遞途徑發生變化，對其內力影響很大;因此，對結構進行精確施工模擬十分必要.

［1］張旭.高層建筑轉換層大梁結構的施工［J］.廣西工學院學報，2000，11(4):66-70.

［2］聶建國，余志武.鋼-混凝土組合梁在我國的研究及應用［J］.土木工程學報，1999，32(2):3-8.

［3］張陶，莫志榮.高層建筑結構轉換層施工初探［J］.廣西工學院學報，2005，16(4):60-65.

［4］劉勁松，裘濤，王翠坤，等.帶高位大跨鋼桁架轉換層建筑結構動力分析［J］.建筑結構，2008，38(3):61-64.

［5］張韜，范學明.基于Midas/gen的廣州興業倉儲科研主樓施工過程仿真分析研究［J］.科學技術與工程，2012，12(24):6077-6081.

［6］唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工［M］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［7］中冶集團建筑研究總院.YB9082-2006鋼骨混凝土結構技術規程［S］.北京:冶金工業出版社，2007.

［8］中國建筑科學研究院.JGJ138-2001型鋼混凝土組合結構技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

Accurate simulation analysis of steel-reinforced concrete transition truss construction

DENG Nian-chun1，2，DENG Lu-yun2，DENG Yu2
(1.School of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China;2.School of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China)

The internal forces development of steel reinforced concrete transfer truss construction process is studied.With the finite element software Midas/Gen as the computing platform，the construction process of Liudong New District headquarters building of Liuzhou is simulated by using the accurate method of construction simulation. Further，the change law of internal force and displacement of the steel reinforced concrete transfer truss in the construction process are analyzed in detail.The results show that the internal force of the structure increases with mutation.It can determine the most unfavorable position in the construction process of the steel reinforced concrete transfer truss，which provides a reference for the engineering construction and calculation and analysis of similar projects.

steel-reinforced concrete;transition truss;construction simulation

TU745

A

2095-7335(2016)02-0021-06

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.02.004

(學科編輯:黎婭)

2015-11-30

廣西大學科研基金資助項目(XTZ150324)資助.

鄧年春，工學博士，教授級高級工程師，研究方向:工程結構的施工技術研究及裝備研發、工程結構的健康診斷與維修加固，E-mail: dengnch@163.com.