鄧年春,鄧路云,鄧宇

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

型鋼混凝土轉(zhuǎn)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(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧545005;2.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州545006)

研究型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架施工過(guò)程的內(nèi)力發(fā)展情況.以有限元軟件Midas/Gen為計(jì)算平臺(tái)，采用精確的施工模擬方法，對(duì)廣西柳州市柳東新區(qū)某企業(yè)總部大樓進(jìn)行施工模擬，進(jìn)而詳細(xì)分析了型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架在施工過(guò)程中的內(nèi)力和位移變化規(guī)律.結(jié)果表明:隨著施工的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)內(nèi)力總體呈增大趨勢(shì)，但存在內(nèi)力突變.可以確定型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架施工過(guò)程中的最不利位置，為工程施工和類(lèi)似工程的計(jì)算分析提供參考.

型鋼混凝土;轉(zhuǎn)換桁架;施工模擬

0 引言

利用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)建筑的垂直轉(zhuǎn)換，在大空間和大跨度的高層結(jié)構(gòu)中大量采用［1］.目前普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)已不能滿足高層以及超高層建筑結(jié)構(gòu)的要求.轉(zhuǎn)換桁架在滿足結(jié)構(gòu)垂直轉(zhuǎn)換的同時(shí)，又滿足高層結(jié)構(gòu)大空間、大跨度要求.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的型鋼被混凝土包裹，提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性、防腐蝕性和受力穩(wěn)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(jié)構(gòu)中采用型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu).目前，對(duì)型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架施工過(guò)程，尚缺少過(guò)程的施工模擬分析［3-4］，本文擬以廣西柳州市柳東新區(qū)某企業(yè)總部大樓為依托，對(duì)型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架進(jìn)行施工階段模擬，為類(lèi)似工程提供參考.

1 工程概況

圖1 柳東新區(qū)某企業(yè)總部大樓示意圖Fig.1 Liudong New District headquarters building

柳東新區(qū)某企業(yè)總部大樓位于柳州市柳東新區(qū)，立面圖見(jiàn)圖1，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)(帶桁架轉(zhuǎn)換層).轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換桁架的施工順序是:首先，對(duì)四榀桁架整體提升;然后，從底板到7層進(jìn)行高大模板支撐;最后，逐層澆筑7層至屋面層混凝土結(jié)構(gòu).

2 施工模擬建模

利用Midas/Gen有限元分析軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析.與施工過(guò)程類(lèi)似，先建立轉(zhuǎn)換桁架兩側(cè)的塔樓模型，并用柱體系模擬7層施工的支撐體系.計(jì)算過(guò)程中，框架柱及轉(zhuǎn)換桁架的斜撐、豎柱和弦桿均采用梁?jiǎn)卧?，樓板和混凝土核心筒采用板單?并考慮施工中各種荷載因素的影響(包括結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼筋并澆筑混凝土，待混凝土達(dá)到28 d強(qiáng)度后，搭設(shè)8層結(jié)構(gòu)支撐腳手架和模板，澆注8層的混凝土，再待混凝土達(dá)到28 d強(qiáng)度后，搭設(shè)9層結(jié)構(gòu)支撐腳手架和模板，以此類(lèi)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(jiàn)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(jié)果分析

在施工過(guò)程中，轉(zhuǎn)換桁架部分由鋼結(jié)構(gòu)形式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾弯摶炷两Y(jié)構(gòu)形式，由臨時(shí)支撐桿件連接的四榀鋼桁架轉(zhuǎn)換成由鋼筋混凝土梁連接的大空間型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架，結(jié)構(gòu)形式發(fā)生轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)內(nèi)力也不斷發(fā)生變化.在Midas/Gen中提取轉(zhuǎn)換桁架的斜撐、豎柱以及弦桿3類(lèi)典型構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行分析，由于轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)受力基本對(duì)稱(chēng)，故只取轉(zhuǎn)換桁架左幅構(gòu)件進(jìn)行受力分析.

3.1 斜撐受力分析

在整個(gè)施工過(guò)程中，斜撐單元受力最大，主要承受拉力和壓力，且內(nèi)力分布均勻規(guī)則，關(guān)于17軸對(duì)稱(chēng)，最大內(nèi)力為壓力出現(xiàn)在與兩側(cè)塔樓連接處(即11軸～12軸之間斜撐)，滿足轉(zhuǎn)換桁架“強(qiáng)斜腹桿，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”原則［6］.具體內(nèi)力情況見(jiàn)圖3所示(僅取11軸～14軸之間斜撐進(jìn)行內(nèi)力分析).

在整個(gè)施工階段，B與K，E與G榀桁架斜撐的內(nèi)力變化基本相似，與兩側(cè)塔樓連接處的斜撐(即11軸～12軸斜撐)主要承受壓力(負(fù)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(duì)較分散;施工完15層之后，斜撐內(nèi)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(gè)斜撐，曲線上的點(diǎn)代表施工到該樓層時(shí)此斜撐的內(nèi)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(jié)構(gòu)荷載逐步增加，剛度逐漸形成，斜撐內(nèi)力不斷增大，當(dāng)施工完成時(shí)，斜撐承受壓力最大可達(dá)11 160 kN，承受拉力最大可達(dá)8 205 kN.7層～9層斜撐橫跨兩層，在施工7層、8層時(shí)，此處斜撐一部分為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，一部分為鋼結(jié)構(gòu)，所受內(nèi)力很小;當(dāng)施工完第9層時(shí)，此處斜撐由鋼結(jié)構(gòu)形式完全轉(zhuǎn)變?yōu)樾弯摶炷两Y(jié)構(gòu)形式，剛度變大，所承受的壓力也大幅增長(zhǎng)，這是第1個(gè)內(nèi)力轉(zhuǎn)折點(diǎn).隨著施工樓層繼續(xù)增高，結(jié)構(gòu)荷載逐步增加，剛度逐漸形成，斜撐內(nèi)力平緩增長(zhǎng).當(dāng)施工完15層后，型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架完全形成，傳力方向和位置發(fā)生變化，產(chǎn)生類(lèi)似拱傳力的效果，使得結(jié)構(gòu)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(gè)內(nèi)力轉(zhuǎn)折點(diǎn).隨著施工樓層繼續(xù)增高直至封頂，此處斜撐內(nèi)力逐漸增大.實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)此內(nèi)力轉(zhuǎn)折處構(gòu)件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

3.2 豎柱受力分析

隨著施工的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)逐漸成型，結(jié)構(gòu)荷載逐步增加，剛度逐漸形成，豎柱內(nèi)力由最初受拉逐漸變?yōu)槭軌?以軸力Fx為例)，內(nèi)力值逐漸增加，見(jiàn)圖4所示.在轉(zhuǎn)換桁架未施工完成之前(即施工15層之前)，上部結(jié)構(gòu)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(nèi).四榀桁架中，底層第7層～第9層層間立柱在施工過(guò)程中以受拉為主，其他立柱隨著施工進(jìn)度的進(jìn)行由受拉逐漸變?yōu)槭軌海⑶腋鳁U件內(nèi)力對(duì)稱(chēng)，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(guò)程中轉(zhuǎn)換層桁架型鋼混凝土梁主要承受壓彎作用，針對(duì)型鋼混凝土梁的內(nèi)力分析，現(xiàn)提取各個(gè)施工階段各層梁的最大彎矩值可以體現(xiàn)型鋼混凝土梁內(nèi)力分布規(guī)律［7-8］.隨著施工的進(jìn)行，構(gòu)件逐漸成型，結(jié)構(gòu)荷載逐步增加和剛度逐漸形成，型鋼混凝土梁的內(nèi)力(以彎矩為例)也逐漸增加.轉(zhuǎn)換桁架型鋼混凝土梁的彎矩內(nèi)力以負(fù)彎矩(圖中取彎矩絕對(duì)值)為主，整體表現(xiàn)為在桁架端部、16軸～18軸大跨處彎矩較大.施工過(guò)程中梁的內(nèi)力變化如圖5所示.

四榀桁架中型鋼混凝土梁內(nèi)力(彎矩絕對(duì)值)變化情況基本一致，且與斜撐相似，由于結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)變，均存在2個(gè)內(nèi)力轉(zhuǎn)折點(diǎn).且由于B榀轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)力值有突變，在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)控.從圖5可以看出，15層弦桿內(nèi)力突變最大，實(shí)際施工時(shí)不應(yīng)忽視.

4 結(jié)論

采用Midas/Gen軟件，以柳東新區(qū)企業(yè)總部大樓建設(shè)為背景，對(duì)型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架施工過(guò)程進(jìn)行精確模擬，繪制斜撐、豎柱以及型鋼混凝土梁的施工過(guò)程內(nèi)力曲線，由分析結(jié)果可得出如下結(jié)論:

1)柳東企業(yè)大樓建筑結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱(chēng)，整個(gè)施工階段，結(jié)構(gòu)受力和變形也基本對(duì)稱(chēng).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(jìn)行，結(jié)構(gòu)內(nèi)力不斷增大，但存在內(nèi)力突變.故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到部分構(gòu)件可能存在內(nèi)力突變，適當(dāng)調(diào)整構(gòu)件截面;同時(shí)，施工過(guò)程中，還應(yīng)監(jiān)測(cè)可能存在內(nèi)力突變構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)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(shí)際施工時(shí)可根據(jù)施工模擬結(jié)果初步確定受拉構(gòu)件，并時(shí)刻監(jiān)控是否產(chǎn)生拉裂縫，為結(jié)構(gòu)的施工安全提供保障;

3)當(dāng)型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架為未完全施工完成時(shí)，桁架結(jié)構(gòu)受力差異大，型鋼混凝土受力明顯大于上部鋼結(jié)構(gòu)部分;

4)轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)變，即由鋼結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)力傳遞途徑發(fā)生變化，對(duì)其內(nèi)力影響很大;因此，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確施工模擬十分必要.

［1］張旭.高層建筑轉(zhuǎn)換層大梁結(jié)構(gòu)的施工［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，11(4):66-70.

［2］聶建國(guó)，余志武.鋼-混凝土組合梁在我國(guó)的研究及應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1999，32(2):3-8.

［3］張?zhí)?，莫志榮.高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層施工初探［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，16(4):60-65.

［4］劉勁松，裘濤，王翠坤，等.帶高位大跨鋼桁架轉(zhuǎn)換層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(3):61-64.

［5］張韜，范學(xué)明.基于Midas/gen的廣州興業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)科研主樓施工過(guò)程仿真分析研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(24):6077-6081.

［6］唐興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［7］中冶集團(tuán)建筑研究總院.YB9082-2006鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

［8］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ138-2001型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)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(xué)科編輯:黎婭)

2015-11-30

廣西大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目(XTZ150324)資助.

鄧年春，工學(xué)博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向:工程結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)研究及裝備研發(fā)、工程結(jié)構(gòu)的健康診斷與維修加固，E-mail: dengnch@163.com.