關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)考慮施工過(guò)程的受力性能研究

陳 旭 元

(江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226300)

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關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)考慮施工過(guò)程的受力性能研究

陳 旭 元

(江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226300)

以某高層辦公樓建筑為例，通過(guò)建立模型，對(duì)兩種加載方式下梁彎矩的受力性能進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)兩種加載方式產(chǎn)生的誤差作了探討，指出高層建筑結(jié)構(gòu)的受力性能分析計(jì)算需考慮施工過(guò)程的影響作用，且需采取有效措施降低誤差，提升計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

高層建筑，受力性能，彎矩，加載方式

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高層建筑應(yīng)運(yùn)而生，其施工技術(shù)不斷發(fā)展成熟，在施工的過(guò)程中對(duì)其受力性能的分析也越來(lái)越受到關(guān)注。相較于完工的高層建筑來(lái)說(shuō)，處于施工階段的高層建筑在結(jié)構(gòu)體系上有著一定的特殊性，結(jié)構(gòu)幾何、邊界及物理?xiàng)l件隨著時(shí)間的推移而不斷變化，其屬于一種時(shí)變結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)當(dāng)采用時(shí)變結(jié)構(gòu)體系模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，保證內(nèi)力分布的分析符合實(shí)際。就目前來(lái)看，對(duì)高層建筑分析和設(shè)計(jì)的相關(guān)研究往往以“已建成”結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，沒有對(duì)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，這很可能導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。基于此，本文簡(jiǎn)要研究了高層建筑結(jié)構(gòu)考慮施工過(guò)程受力性能的相關(guān)問題，旨在為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

以某高層辦公樓建筑施工為例，其抗震設(shè)防烈度為8度，屬于現(xiàn)澆混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，整個(gè)建筑共12層，屬于高層建筑，不設(shè)地下室，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)。整個(gè)建筑構(gòu)造采用C30混凝土，地層高度為5 m，其他層高度為3.6 m，1層～5層剪力墻厚度為250 mm，其余層剪力墻厚度為180 mm，樓板厚度為180 mm。

2 模型建立

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其主要包括節(jié)點(diǎn)、桿、塊體及板等形式構(gòu)件，在SAP2000程序中，分別用點(diǎn)、線、面、體來(lái)表示。其中點(diǎn)對(duì)象為節(jié)點(diǎn)形式，在對(duì)其他對(duì)象繪制的過(guò)程中會(huì)自動(dòng)生成點(diǎn)對(duì)象，其屬于單元組成的基本元素。線對(duì)象主要模擬柱、支撐及梁體等框架結(jié)構(gòu)，用線單元形式來(lái)表示框構(gòu)件[1]。用面對(duì)象對(duì)板、坡面及壁等面幾何屬性構(gòu)件進(jìn)行模擬，以三角形或四邊形的形式存在。用實(shí)體對(duì)象模擬水壩等大型砌筑體或壁較厚的建筑物。

在仿真分析的過(guò)程中，對(duì)象模型會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為分析模型，以此作為有限元分析數(shù)據(jù)，例如通過(guò)點(diǎn)對(duì)象轉(zhuǎn)化為點(diǎn)單元，通過(guò)面對(duì)

象轉(zhuǎn)化為殼單元等。同時(shí)外界荷載也會(huì)轉(zhuǎn)化到分析模型中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)考慮施工過(guò)程的受力性能分析。整個(gè)模型生成過(guò)程可以分為建模、模型分析及模型設(shè)計(jì)等三個(gè)步驟。

3 受力性能仿真分析

高層建筑結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的受力是十分復(fù)雜的，包括梁柱的彎矩和剪力、板內(nèi)力、剪力墻內(nèi)力、柱軸力等等。模擬采用兩種加載方式，一種是傳統(tǒng)的一次性加載方式，一種是模擬施工過(guò)程的加載方式[2]。對(duì)不同方式的高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行分析，本文以兩種加載方式下高層建筑結(jié)構(gòu)梁彎矩的仿真分析為例。

3.1 邊跨梁彎矩比較

對(duì)兩種加載方式下邊跨兩端彎矩進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖1所示(圖1a)為邊跨梁左端彎矩比較，圖1b)為邊跨梁右端彎矩比較)。

分析結(jié)果如下：

1)相較于一次性加載方式來(lái)說(shuō)，模擬施工過(guò)程加載方式下邊跨梁左端彎矩值絕對(duì)值計(jì)算結(jié)果要小4.9%～92.9%(底層除外)；在2層～5層之間，兩種加載方式下邊跨梁右端彎矩值絕對(duì)值計(jì)算結(jié)果基本一致，而在6層以上，相較于一次性加載方式來(lái)說(shuō)，模擬施工過(guò)程加載方式下邊跨梁右端彎矩值絕對(duì)值計(jì)算結(jié)果要小21.7%～162.2%。

2)通過(guò)上述分析可知，一次性加載方式下邊支座梁端負(fù)彎矩絕對(duì)值普遍大于模擬施工過(guò)程加載方式的計(jì)算結(jié)果，尤其隨著層數(shù)的提升，這種規(guī)律愈發(fā)明顯。

3.2 中跨梁彎矩比較

對(duì)兩種加載方式下中跨梁端彎矩進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果見圖2(圖2a)為中跨梁左端彎矩比較，圖2b)為中跨梁右端彎矩比較)。

受力性能分析如下：1)相較于模擬施工過(guò)程加載方法來(lái)說(shuō)，一次性加載方法下的中間支座梁左端彎矩絕對(duì)值的計(jì)算結(jié)果要小3.2%～96.9%，中間支座梁右端彎矩值絕對(duì)值計(jì)算結(jié)果要大2.9%～14.2%。2)由上述分析可知，一般來(lái)說(shuō)，相較于模擬施工過(guò)程加載方式計(jì)算結(jié)果，一次性加載方式下中間支座梁端負(fù)彎矩絕對(duì)值計(jì)算要小，越趨近于頂層，這種規(guī)律越明顯。

受力分析結(jié)論如下：1)對(duì)于模擬施工過(guò)程加載方式來(lái)說(shuō)，各樓層內(nèi)力的計(jì)算一般以本層及上層荷載加載為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算方式與實(shí)際施工過(guò)程相符合，因此計(jì)算結(jié)構(gòu)更符合實(shí)際情況，較為科學(xué)。2)相較于模擬施工過(guò)程加載方式來(lái)說(shuō)，一次性加載方式的邊界條件與實(shí)際情況不符，同時(shí)一次性加載方式?jīng)]有對(duì)施工過(guò)程中的施工平差進(jìn)行考慮，從而使得此方法存在不符合客觀實(shí)際的問題。在一次性加載方式計(jì)算方法中，一個(gè)樓層的荷載會(huì)影響其他樓層內(nèi)力。第j層荷載在第i層的位移差用Δδij(i=1，…，n；j=1，…，n)來(lái)表示，一次性加載方式下第i層豎向變形差用Δδi來(lái)表示，則可以得出以下公式：

而對(duì)于模擬施工過(guò)程加載方式來(lái)說(shuō)，其在計(jì)算的過(guò)程中對(duì)施工平差進(jìn)行了考慮，其第i層豎向變形差Δδi的計(jì)算公式如下：

因?yàn)閕≥1，因此，第一個(gè)公式很明顯要大于第二個(gè)公式，且隨著層數(shù)的提升，i值逐漸增大，二者之間的差值也越大。此外，上文中提到，高層建筑屬于多次超靜定結(jié)構(gòu)，主要利用連接豎向構(gòu)件的水平構(gòu)件來(lái)對(duì)豎向變形差進(jìn)行受力協(xié)調(diào)，即在水平構(gòu)件上附加剪力，實(shí)現(xiàn)荷載傳遞，傳遞方向?yàn)椋捍笞冃螛?gòu)件→小變形構(gòu)件，同時(shí)會(huì)有附加內(nèi)力的產(chǎn)生，而上文中分析提到，一次性加載方式產(chǎn)生的豎向位移差更大一些，因此，在協(xié)調(diào)豎向變形差時(shí)產(chǎn)生的附

加內(nèi)力也更大[3]。

對(duì)于本工程來(lái)說(shuō)，相較于邊柱，中柱的豎向變形更大，這就會(huì)出現(xiàn)中柱下沉而邊柱上頂?shù)那闆r，在邊支座，附加梁彎矩表現(xiàn)為上表面受拉，在內(nèi)支座，附加梁彎矩表現(xiàn)為下表面受拉。因此，在模擬施工過(guò)程加載方式下，其邊支座彎矩小于一次性加載方式計(jì)算結(jié)果，內(nèi)支座彎矩大于一次性加載方式計(jì)算結(jié)果。對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，受到施工平差的影響，在一次性加載方式下中間支座彎矩可能表現(xiàn)為下表面受拉，這不符合實(shí)際情況[4]。綜上來(lái)看，在計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載效應(yīng)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)施工過(guò)程產(chǎn)生的影響進(jìn)行考慮，即采用模擬施工過(guò)程加載方式。

4 兩種加載方式誤差分析

4.1 建模誤差

通過(guò)上述模擬計(jì)算分析可知，在利用SAP2000程序進(jìn)行模擬施工過(guò)程加載計(jì)算的過(guò)程中，模型假設(shè)與實(shí)際受力有著一定的差異性，雖然這種加載方式計(jì)算方法有著一定的合理性，但與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力的差異仍會(huì)產(chǎn)生計(jì)算誤差，需要進(jìn)行誤差驗(yàn)證[5]。此外，在加載計(jì)算的過(guò)程中，將每次加載看作為獨(dú)立的計(jì)算模型，之后進(jìn)行疊加，這種計(jì)算方式的計(jì)算假設(shè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)也有著一定的區(qū)別，從而產(chǎn)生誤差，因此，需要在疊加的過(guò)程中修正計(jì)算的內(nèi)力值，保證計(jì)算結(jié)果的精確性。

4.2 荷載取值誤差

本算例采用模擬施工過(guò)程的加載方式，除了本文提到的兩彎矩模擬計(jì)算外，還需要對(duì)剪力墻內(nèi)力、柱軸力其他力進(jìn)行模擬，這就需要豐富的資料，但受限于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)少、資料不足，往往使得模擬過(guò)程中缺乏數(shù)據(jù)支持，荷載取值方面可能會(huì)存在誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真分析和模擬計(jì)算表明，高層建筑結(jié)構(gòu)受力會(huì)受到實(shí)際施工情況的影響，因此在計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載效應(yīng)的過(guò)程中，需要對(duì)施工過(guò)程產(chǎn)生的影響積極考慮。但需要注意的是，模擬施工過(guò)程加載方式雖然有著一定的合理性，但在計(jì)算的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定誤差，需要采取有效措施來(lái)降低誤差影響，保證高層建筑結(jié)構(gòu)受力計(jì)算的精確性。

[1] 陳 波.高層建筑結(jié)構(gòu)考慮施工過(guò)程的受力性能研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2010.

[2] 鄭 江.復(fù)雜剛性鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程力學(xué)模擬及計(jì)算方法研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2011.

[3] 王飄飄,李永濤.高層建筑結(jié)構(gòu)考慮施工過(guò)程的受力性能研究[J].科技與企業(yè),2012(4):144.

[4] 王曉燕.考慮施工過(guò)程收縮徐變對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)與理論研究[D].南寧：廣西大學(xué),2003.

[5] 鞠開林.超高層外框—核心筒混合結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控與動(dòng)力特性分析[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2014.

On stressed performance in construction of high-rise architectural structures

Chen Xuyuan

(SchoolofArchitecturalEngineering,JiangsuCollegeofEngineeringandTechnology,Nantong226300,China)

Taking some high-rise office building as the example, the paper undertakes the simulation analysis of the stressed performance of the lower beam bending moment under two loading approaches by establishing models, explores the errors caused by the two loading approaches, and points out the influence role of the stressed performance of the beams should be considered in the construction and points out effective measures should be taken to lower errors and promote the accuracy of the calculation results.

high-rise building, stressed performance, bending moment, loading approach

1009-6825(2016)32-0062-02

2016-09-03

陳旭元(1974- )，男，碩士，講師

TU973

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