高层建筑结构考虑施工过程的受力性能分析

高层建筑结构考虑施工过程的受力性能分析

陈波

陈波

陕西省城乡规划设计研究院陕西西安710075

摘要：本文研究传统的“一次加载计算方法”和新的“模拟施工过程加载计算方法”在设计计算中的差异，研究结构内力与变形逐步累加和重分布规律，从而对保证结构建造全过程的可靠性和安全性,具有一定的理论意义和现实意义。

关键词：高层结构，模拟施工，一次性加载。

1．引言

建筑物在其整个寿命周期内包括施工阶段、正常使用阶段和后期维修阶段三个部分。目前对建筑物对于正常使用阶段的研究比较多，研究时间也比较长，相对比较成熟。

SAP2000中专门提供了一个用于模拟分阶段施工的模块,该模块中的阶段施工加载用来模拟结构在施工过程中的结构刚度、质量、荷载等不断变化的过程。本文将利用SAP2000这个分析的工具,对实际的一个工程进行施工阶段的分阶段的受力分析。

2．基本假定

由于施工过程受许多随机因素和人为因素的影响，为了比较方便地进行计算，本文在计算过程中作了下面这些假定:

1.以基础及地基处理完工后，自重作用下沉降已经完成为初始相对零位移状态；

2.不考虑混凝土弹性模量随龄期变化对结构受力情况的影响，在i+1层加载时，第i层模板已拆除，i层以下各层构件的材料为常数，在i+1加载过程中不变；

3.施工荷载包括模板结构自重、新浇混凝土自重、钢筋自重、施工人员及施工设备荷载等。由于施工过程竖向荷载与使用阶段的竖向设计荷载相差不大，就取竖向设计荷载作为施工过程中的竖向荷载；

4.未拆模时，模板承受作用于结构上的力，钢筋混凝土构件不受力。

上述这些假定是在施工到每一层时，其上部为了方便的模拟施工过程逐层加载的情况，与实际施工过程结构的形成和受力状态比较接近，能较好的反映施工过程的真实情况。

3．工程案例

案例为一办公楼，地处西安市区，拟建场地建筑抗震设防烈度为8度(设计基本地震加速度值为0.2g，场地类别为Ⅱ类，为现浇混凝土框架—剪力墙结构。该建筑物共12层，机房和水箱间的部分突出屋面，无地下室；基础为现浇钢筋混凝土筏板基础；底层层高为5m，其他层层高为3.6m；楼板厚度取120mm;剪力墙厚度1～5层为250mm，其余各层厚180mm，1～9层采用C30混凝土，其余各层均采用C20混凝土。其标准层平面图如图1所示

图1框剪结构1～12层平面图

本文所建的计算模型中，竖向荷载标准值取：框架梁上线荷载9KN/m3；混凝土自重25KN/m3。楼面均布活荷载标准值取：办公室荷载2KN/m2,卫生间2.5KN/m2,走廊2.5KN/m2,疏散楼梯3.5KN/m2

进行SAP2000结构计算前，计算模型仍然约定采用强柱弱梁的结构配筋思路。在计算软件中分别按“模拟施工过程的加载方法”和“一次加载方法”进行分析。

4．主要计算结果与分析

4.1.梁端弯矩比较

边跨梁弯矩值的绝对值除底层外一般为一次性加载计算结果比模拟施工过程加载法大，特别是在顶层附近，这种现象表现尤为突出。

图2边梁弯矩比较图3中梁弯矩比较

从以上两种方法加载后梁端弯矩的分析结果来看可以得出以下结论：

①模拟施工过程加载模式中，各楼层的内力都按本层以及以上的荷载加载来计算，比较符合实际的施工过程，所以其计算的结果比较符合实际情况；

对照上两式，前式很明显大于后式，而且越往上，差值越大。与此同时，高层建筑结构是个多次超静定的结构，由于超静定结构的特性，竖向变形差将通过连接两竖向构件的水平构件进行受力协调，协调的方式是通过水平构件附加剪力的形式将荷载由变形大的竖向构件传向变形小的竖向构件，并在其上产生附加内力，由于一次性加载法的竖向位移差偏大，所以由此产生的附加内力也偏大。

对于本例来说中柱下沉、边柱上顶，附加梁弯矩在边支座是上表面受拉，在内支座是下表面受拉。所以说对模拟施工过程加载法的结果来说，边支座弯矩是一次性加载大于模拟施工过程加载，而内支座弯矩这是模拟施工过程加载大于一次性加载。如果建筑的层数较多时，由于施工平差的影响，一次性加载解在中间支座的弯矩甚至表现为下表面受拉，这显然与实际情况不符。所以说高层建筑结构的竖向荷载效应的计算必须考虑施工过程的影响。

4.2梁端剪力比较

图4边梁弯矩比较图5中梁弯矩比较

由以上的对比图可以看出:

与弯矩值相比较，两种加载模式作用下的边跨梁及中跨梁左右剪力值结果相差不大，总的来说，模拟施工过程加载法与一次性加载法对梁的剪力影响不大。

4.3柱端轴力比较

图6边柱轴力比较图7中柱轴力比较

由以上的对比图可以看出:

对于边柱来说一次性加载结果要大于模拟施工加载的结果。对于中柱来说结果恰恰相反。从以上两种方法加载后柱端轴力的分析结果来看可以得出以下结论：

①从柱在两种方法作用下轴力的对比图可以看出，一次性加载高估了边柱轴力，低估了中柱轴力；

②导致结果的不同可以用轴压比不同来解释。对于边柱来说，轴压力按边跨的一半确定；对于中柱，轴压力按相临两跨的跨中到跨中的面积来确定。

③从以上几个对比图也可以看出，在高层建筑结构中，如果结构平面布置的比较规则，且质量和荷载分布均匀，则柱子的轴力随着施工进程呈线性增长。

④另外从中柱轴力对比图还可以看出轴力曲线在六层时有拐点存在。

4.4剪力墙剪力比较

①剪力墙剪力值一次性加载计算结果同模拟施工过程加载法结果相差不大，但同其他层相比顶层附近剪力值一次性加载计算结果比模拟施工过程加载法结果大。

②剪力墙的中间部分的剪力值增大。这是因为框架——剪力墙结构中框架和剪力墙单独承受荷载时，其变形曲线是不同的。

5．结论

（1）用模拟施工过程加载法和传统的一次加载法算得梁的内力，相差比较大，这样大的误差是完全不能忽略的，对于边跨梁弯矩，传统的一次性加载方法较为保守，计算结果偏大，设计时可适当放宽；对于中跨梁弯矩传统的一次性加载方法计算结果偏小，设计时应给予重视。对于安全等级要求高，层数也多的高层建筑，必须考虑用模拟施工过程逐层加载的方法。

（2）用模拟施工过程加载法和传统的一次加载法算得柱的内力，计算结果表明其结果相差比较大，对于边柱轴力传统的一次性加载方法计算结果偏大，较为安全，对于中柱轴力传统的一次性加载方法计算结果偏小，要尤为重视，设计时要特别注意。对于安全等级要求高，层数也多的高层建筑，必须考虑用模拟施工过程逐层加载的方法。

（3）用模拟施工过程加载法和传统的一次加载法算得剪力墙的内力，一次性加载方法较为保守，计算结果偏大，较为安全；但剪力墙的轴力一次性加载方法计算结果偏小，应给予重视。

（4）本文各个构件计算结果表明，构件刚度的改变一般都会影响结构内力的重分布，修改单个构件往往会带来其他相关构件内力的改变，这一点设计时应给予重视。