高層建筑施工模擬技術實踐研究

徐 濤 吳 彬

（湖北工業職業技術學院 建筑工程系 湖北十堰 442000）

高層建筑施工模擬技術實踐研究

徐 濤 吳 彬

（湖北工業職業技術學院 建筑工程系 湖北十堰 442000）

高層建筑施工時，為了提高建筑質量和安全儲備，需要進行研究施工模擬。分區激活法是較逐層激活法更為先進的一種方法，根據荷載情況科學劃分激活范圍，并分析混凝土徐變、溫度、基礎沉降、施工速度等因素的影響，使用科學的計算方法，避免高層建筑的結構構件內力和豎向變形數值在施工階段和使用階段產生差異。

高層建筑；施工模擬；分區激活法；豎向變形

現代建筑工程高層化趨勢越發明顯，因此建筑結構設計的要求也越來越高。設計師在設計高層建筑時需要充分考慮荷載效應，一般而言，設計師在計算時，通常會通過使用階段的結構模型進行分析，然后考慮在多加入一個荷載工況或者多個荷載工況的基礎上，會產生的荷載效應，即一次性加載計算。這種計算方法對于非高層建筑有一定的科學性，但高層建筑由于施工過程中會因為結構形態以及荷載狀態的變化而產生一個動態變化過程，因此結構體系可能會發生轉換，施工荷載可能會有所增減。荷載效應在使用階段和施工階段會有較大差距，從而帶來較大的安全隱患，高層建筑要加強質量安全，就需要在施工階段就進行力學分析，考慮實際的力學反應可能會對建筑結構產生的影響。施工模擬就是基于這種力學效應而采取的措施。

一、高層建筑施工模擬技術的必要性

建筑結構計算，一般都是全部建成后，對結構荷載進行一次性計算。但建筑施工過程中，建筑結構會因為自重的增加和結構構件的逐步完成，對結構內部的荷載以及變形產生影響，定性加載計算無法反映出這種施工過程中的真實變化情況。隨著施工階段的變化，結構外形、內力和邊界條件都會隨著時空變化而變化，不同的結構構件，內力和變形并不會在同一時刻達到最大值，因此結構內力和豎向變形可能會在不同部位達到最大值。為保證施工過程中能夠更準確的把握結構體系的力學變化，必須對結構體系采取施工模擬計算，從而對實際施工時的樓層標高的找平、剛度的逐層成型以及荷載的逐層施加等進行分析，能夠更真實的反映緊身構件的變形值和橫向構件的應力變化，使結構分析更符合實際施工結果。

二、高層建筑施工模擬分析方法

1.逐層激活法

高層建筑的施工模擬技術優先使用的是逐層激活法，即逐步激活法，有限元模型軟件的生死單元技術對于是這種分析技術的常用技術，具體來說，把所有的結構單元都殺死后，就能夠使結構自重以及荷載等屬性數據都成為零，再根據結構的實際施工工序，將結構單元逐層激活，結構自重和荷載等屬性也會從初始值開始產生變化，直到最終的整體結構成型。再消除未建造的結構單元，這些結構單元的剛度和荷載就不會對總體剛度和整體計算結果產生影響，也就能夠更精確地模擬結構剛度的逐層形成和各階段荷載逐步施加的過程，對于高層建筑的內力和豎向變形值的計算有很好的適用性，能夠真實地反映高層建筑在逐層施工過程中的實際變化，但需要面對較大的計算量。實際施工過程中，也不可能等待混凝土構件在28d強度后再進行下一層的施工，也就無法考慮混凝土齡期對混凝土構件的彈性模量的影響。2.分區激活法

基于逐層激活法存在的一些局限性，進而產生了分區激活法，難以應對逐層激活法，隨著樓層增設而不斷增加的計算量。這種方法就是把高層建筑以高度為基礎分成不同的區段，每一個區段會對應數量不同的樓層。施工模擬分析時，通過從上到下的方法分區段激活，也就減少了計算量，也能夠避免誤差。

3.特殊結構高層建筑施工模擬技術

轉換結構是一種較為特殊的建筑結構，且形式多樣。隨著建筑技術的發展，使用范圍也越來越廣泛，施工模擬方法的選擇也較為復雜。在建筑上部荷載量較大的情況下，一般使用多層挺好梁轉換結構。結構中使用的轉換桁架或者環桁架構件高度往往達到了2-3個結構樓層的高度，逐層激活法無法準確計算這種結構的內力及豎向變形值。各種形式的躍層結構如空腹桁架、交錯桁架以及懸掛結構等，也無法使用逐層激活法進行計算。因此在施工模擬中需要準確地劃分荷載步，從而選擇準確的激活范圍。在分析每一個荷載步時，都要基于上一個荷載步的結構剛度矩陣來計算新荷載步對于結構剛度的貢獻，N個荷載步，就需要有N次結構剛度矩陣和N次內力計算。

三、施工模擬分析中的豎向變形影響因素

1.建筑結構體系

不同的建筑結構體系，在剛度和荷載上也會有所不同如框架-支撐和框架-延性剪力墻這兩種結構體系在側向上剛度較大，能夠和建筑框架形成一個協同抗側力體系，具備了良好的抗震性能，且剪力墻的荷載主要來自橫向水平承受力，而沒有豎向的荷載產生，內框架以及框架柱有明確的荷載分工。

2.混凝土徐變特性

混凝土的凝固和荷載承受過程，會產生收縮徐變現象，其變形值會影響到建筑結構的彈性變形值。上層施工時不會等到下層在28d強度后再進行，一般在下層混凝土7d齡期后就會開始上層的施工，因此施工過程中會受到混凝土收縮與徐變的影響，從而對豎向變形值產生影響。我國高層建筑結構一般都是鋼筋混凝土混合結構，而其中的鋼構件又不會出現收縮與徐變現象，因此混凝土的收縮徐變就會使鋼構件與混凝土構件在豎向變形值上產生較大的差異，這種差異值自下而上進行累積后，會增加框架梁以及水平加強層構件的內力值，從而對結構安全儲備產生較大影響。

3.溫度的影響

環境溫度會對建筑構件溫度產生影響，不同材料受到環境溫度的約束情況也會有所不同，因此構件內力的變化情況會有一定的差異。這種變化在混凝土結構和室內構件上的溫差反應上不明顯，但室外構件則可能產生較大的溫差。使用階段和施工階段存在的溫差，可能會拉伸或縮短結構構件，從而使構件內力值產生變化，隨著內力累積效應的增加，會對頂部水平構件或者底部豎向構件產生不同的影響。混合建筑結構各材料構件對于溫度變化的感應有所不同，從而使構件在豎向變形值有所不同，進而影響到水平構件的內力值。

4.基礎沉降

基礎沉降產生的原因主要是地基的不均勻以及建筑上部結構的荷載差異，從而導致建筑的不均勻沉降，一旦沉降值超過允許范圍，就可能會使建筑發生損壞現象，導致安全儲備下降。基礎沉降在模擬技術中是難以計算的，因此需要通過設計和施工階段的附加措施減少基礎沉降的影響。

5.施工速度

混凝土的徐變特性是施工速度影響豎向變形值的主要因素，混凝土徐變速度在前200天之風較快，隨著時間的延長，混凝土凝結程度和強度也就越高，因此彈性壓縮空間也就越小。施工速度的不同，也就意味著已經完成施工的混凝土強度有所不同，因此對于結構構件的變形影響也就不同，并且施工速度對于核心筒的豎向變形的影響要小于框架柱，但總體影響較小。

四、結語

高層建筑在施工過程中，因階段性的荷載效應和結構效應可能會引發安全隱患，因此，必要的施工模擬分析是保障建筑安全性能的關鍵步驟。科學分析荷載，依據一定的荷載步劃分激活區域，能夠使模擬分析結果更加接近使用階段的實際數據，更加準確的反應施工過程中結構構件內力和豎向變形的數值變化。

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TU75

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1007-6344（2017）01-0207-01