關于高層建筑結構考慮施工過程的受力性能研究

陳 旭 元

(江蘇工程職業技術學院建筑工程學院，江蘇 南通 226300)

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關于高層建筑結構考慮施工過程的受力性能研究

陳 旭 元

(江蘇工程職業技術學院建筑工程學院，江蘇 南通 226300)

以某高層辦公樓建筑為例，通過建立模型，對兩種加載方式下梁彎矩的受力性能進行了仿真分析，并對兩種加載方式產生的誤差作了探討，指出高層建筑結構的受力性能分析計算需考慮施工過程的影響作用，且需采取有效措施降低誤差，提升計算結果的準確性。

高層建筑，受力性能，彎矩，加載方式

0 引言

隨著城市化進程的加快和科學技術的進步，高層建筑應運而生，其施工技術不斷發展成熟，在施工的過程中對其受力性能的分析也越來越受到關注。相較于完工的高層建筑來說，處于施工階段的高層建筑在結構體系上有著一定的特殊性，結構幾何、邊界及物理條件隨著時間的推移而不斷變化，其屬于一種時變結構體系，應當采用時變結構體系模型進行結構分析，保證內力分布的分析符合實際。就目前來看，對高層建筑分析和設計的相關研究往往以“已建成”結構作為研究對象，沒有對施工過程的結構受力進行分析，這很可能導致誤差產生。基于此，本文簡要研究了高層建筑結構考慮施工過程受力性能的相關問題，旨在為高層建筑結構設計和建造實踐提供參考。

1 工程概況

以某高層辦公樓建筑施工為例，其抗震設防烈度為8度，屬于現澆混凝土框架—剪力墻結構，整個建筑共12層，屬于高層建筑，不設地下室，采用現澆鋼筋混凝土筏板基礎。整個建筑構造采用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

對于建筑結構來說，其主要包括節點、桿、塊體及板等形式構件，在SAP2000程序中，分別用點、線、面、體來表示。其中點對象為節點形式，在對其他對象繪制的過程中會自動生成點對象，其屬于單元組成的基本元素。線對象主要模擬柱、支撐及梁體等框架結構，用線單元形式來表示框構件[1]。用面對象對板、坡面及壁等面幾何屬性構件進行模擬，以三角形或四邊形的形式存在。用實體對象模擬水壩等大型砌筑體或壁較厚的建筑物。

在仿真分析的過程中，對象模型會自動轉換為分析模型，以此作為有限元分析數據，例如通過點對象轉化為點單元，通過面對

象轉化為殼單元等。同時外界荷載也會轉化到分析模型中，從而實現對高層建筑結構考慮施工過程的受力性能分析。整個模型生成過程可以分為建模、模型分析及模型設計等三個步驟。

3 受力性能仿真分析

高層建筑結構在施工過程中的受力是十分復雜的，包括梁柱的彎矩和剪力、板內力、剪力墻內力、柱軸力等等。模擬采用兩種加載方式，一種是傳統的一次性加載方式，一種是模擬施工過程的加載方式[2]。對不同方式的高層建筑結構受力性能進行分析，本文以兩種加載方式下高層建筑結構梁彎矩的仿真分析為例。

3.1 邊跨梁彎矩比較

對兩種加載方式下邊跨兩端彎矩進行比較，比較結果如圖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)。

分析結果如下：

1)相較于一次性加載方式來說，模擬施工過程加載方式下邊跨梁左端彎矩值絕對值計算結果要小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值計算結果基本一致，而在6層以上，相較于一次性加載方式來說，模擬施工過程加載方式下邊跨梁右端彎矩值絕對值計算結果要小21.7%～162.2%。

2)通過上述分析可知，一次性加載方式下邊支座梁端負彎矩絕對值普遍大于模擬施工過程加載方式的計算結果，尤其隨著層數的提升，這種規律愈發明顯。

3.2 中跨梁彎矩比較

對兩種加載方式下中跨梁端彎矩進行對比，比較結果見圖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)相較于模擬施工過程加載方法來說，一次性加載方法下的中間支座梁左端彎矩絕對值的計算結果要小3.2%～96.9%，中間支座梁右端彎矩值絕對值計算結果要大2.9%～14.2%。2)由上述分析可知，一般來說，相較于模擬施工過程加載方式計算結果，一次性加載方式下中間支座梁端負彎矩絕對值計算要小，越趨近于頂層，這種規律越明顯。

受力分析結論如下：1)對于模擬施工過程加載方式來說，各樓層內力的計算一般以本層及上層荷載加載為基礎進行計算，這種計算方式與實際施工過程相符合，因此計算結構更符合實際情況，較為科學。2)相較于模擬施工過程加載方式來說，一次性加載方式的邊界條件與實際情況不符，同時一次性加載方式沒有對施工過程中的施工平差進行考慮，從而使得此方法存在不符合客觀實際的問題。在一次性加載方式計算方法中，一個樓層的荷載會影響其他樓層內力。第j層荷載在第i層的位移差用Δδij(i=1，…，n；j=1，…，n)來表示，一次性加載方式下第i層豎向變形差用Δδi來表示，則可以得出以下公式：

而對于模擬施工過程加載方式來說，其在計算的過程中對施工平差進行了考慮，其第i層豎向變形差Δδi的計算公式如下：

因為i≥1，因此，第一個公式很明顯要大于第二個公式，且隨著層數的提升，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構，主要利用連接豎向構件的水平構件來對豎向變形差進行受力協調，即在水平構件上附加剪力，實現荷載傳遞，傳遞方向為：大變形構件→小變形構件，同時會有附加內力的產生，而上文中分析提到，一次性加載方式產生的豎向位移差更大一些，因此，在協調豎向變形差時產生的附

加內力也更大[3]。

對于本工程來說，相較于邊柱，中柱的豎向變形更大，這就會出現中柱下沉而邊柱上頂的情況，在邊支座，附加梁彎矩表現為上表面受拉，在內支座，附加梁彎矩表現為下表面受拉。因此，在模擬施工過程加載方式下，其邊支座彎矩小于一次性加載方式計算結果，內支座彎矩大于一次性加載方式計算結果。對于高層建筑來說，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為下表面受拉，這不符合實際情況[4]。綜上來看，在計算高層建筑結構豎向荷載效應的過程中，應當對施工過程產生的影響進行考慮，即采用模擬施工過程加載方式。

4 兩種加載方式誤差分析

4.1 建模誤差

通過上述模擬計算分析可知，在利用SAP2000程序進行模擬施工過程加載計算的過程中，模型假設與實際受力有著一定的差異性，雖然這種加載方式計算方法有著一定的合理性，但與實際結構受力的差異仍會產生計算誤差，需要進行誤差驗證[5]。此外，在加載計算的過程中，將每次加載看作為獨立的計算模型，之后進行疊加，這種計算方式的計算假設與實際結構也有著一定的區別，從而產生誤差，因此，需要在疊加的過程中修正計算的內力值，保證計算結果的精確性。

4.2 荷載取值誤差

本算例采用模擬施工過程的加載方式，除了本文提到的兩彎矩模擬計算外，還需要對剪力墻內力、柱軸力其他力進行模擬，這就需要豐富的資料，但受限于現場實測少、資料不足，往往使得模擬過程中缺乏數據支持，荷載取值方面可能會存在誤差。

5 結語

通過仿真分析和模擬計算表明，高層建筑結構受力會受到實際施工情況的影響，因此在計算高層建筑結構豎向荷載效應的過程中，需要對施工過程產生的影響積極考慮。但需要注意的是，模擬施工過程加載方式雖然有著一定的合理性，但在計算的過程中也會產生一定誤差，需要采取有效措施來降低誤差影響，保證高層建筑結構受力計算的精確性。

[1] 陳 波.高層建筑結構考慮施工過程的受力性能研究[D].西安：西安建筑科技大學,2010.

[2] 鄭 江.復雜剛性鋼結構施工過程力學模擬及計算方法研究[D].西安：西安建筑科技大學,2011.

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

[4] 王曉燕.考慮施工過程收縮徐變對高層建筑結構影響的試驗與理論研究[D].南寧：廣西大學,2003.

[5] 鞠開林.超高層外框—核心筒混合結構施工監控與動力特性分析[D].長沙：湖南大學,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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