徐 濤 吳 彬

（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系 湖北十堰 442000）

高層建筑施工模擬技術(shù)實(shí)踐研究

徐 濤 吳 彬

（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系 湖北十堰 442000）

高層建筑施工時(shí)，為了提高建筑質(zhì)量和安全儲(chǔ)備，需要進(jìn)行研究施工模擬。分區(qū)激活法是較逐層激活法更為先進(jìn)的一種方法，根據(jù)荷載情況科學(xué)劃分激活范圍，并分析混凝土徐變、溫度、基礎(chǔ)沉降、施工速度等因素的影響，使用科學(xué)的計(jì)算方法，避免高層建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和豎向變形數(shù)值在施工階段和使用階段產(chǎn)生差異。

高層建筑；施工模擬；分區(qū)激活法；豎向變形

現(xiàn)代建筑工程高層化趨勢(shì)越發(fā)明顯，因此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)需要充分考慮荷載效應(yīng)，一般而言，設(shè)計(jì)師在計(jì)算時(shí)，通常會(huì)通過(guò)使用階段的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，然后考慮在多加入一個(gè)荷載工況或者多個(gè)荷載工況的基礎(chǔ)上，會(huì)產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，即一次性加載計(jì)算。這種計(jì)算方法對(duì)于非高層建筑有一定的科學(xué)性，但高層建筑由于施工過(guò)程中會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形態(tài)以及荷載狀態(tài)的變化而產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，因此結(jié)構(gòu)體系可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換，施工荷載可能會(huì)有所增減。荷載效應(yīng)在使用階段和施工階段會(huì)有較大差距，從而帶來(lái)較大的安全隱患，高層建筑要加強(qiáng)質(zhì)量安全，就需要在施工階段就進(jìn)行力學(xué)分析，考慮實(shí)際的力學(xué)反應(yīng)可能會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。施工模擬就是基于這種力學(xué)效應(yīng)而采取的措施。

一、高層建筑施工模擬技術(shù)的必要性

建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算，一般都是全部建成后，對(duì)結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行一次性計(jì)算。但建筑施工過(guò)程中，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)樽灾氐脑黾雍徒Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的逐步完成，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的荷載以及變形產(chǎn)生影響，定性加載計(jì)算無(wú)法反映出這種施工過(guò)程中的真實(shí)變化情況。隨著施工階段的變化，結(jié)構(gòu)外形、內(nèi)力和邊界條件都會(huì)隨著時(shí)空變化而變化，不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，內(nèi)力和變形并不會(huì)在同一時(shí)刻達(dá)到最大值，因此結(jié)構(gòu)內(nèi)力和豎向變形可能會(huì)在不同部位達(dá)到最大值。為保證施工過(guò)程中能夠更準(zhǔn)確的把握結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)變化，必須對(duì)結(jié)構(gòu)體系采取施工模擬計(jì)算，從而對(duì)實(shí)際施工時(shí)的樓層標(biāo)高的找平、剛度的逐層成型以及荷載的逐層施加等進(jìn)行分析，能夠更真實(shí)的反映緊身構(gòu)件的變形值和橫向構(gòu)件的應(yīng)力變化，使結(jié)構(gòu)分析更符合實(shí)際施工結(jié)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(shù)優(yōu)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(shù)對(duì)于是這種分析技術(shù)的常用技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)，把所有的結(jié)構(gòu)單元都?xì)⑺篮螅湍軌蚴菇Y(jié)構(gòu)自重以及荷載等屬性數(shù)據(jù)都成為零，再根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工工序，將結(jié)構(gòu)單元逐層激活，結(jié)構(gòu)自重和荷載等屬性也會(huì)從初始值開(kāi)始產(chǎn)生變化，直到最終的整體結(jié)構(gòu)成型。再消除未建造的結(jié)構(gòu)單元，這些結(jié)構(gòu)單元的剛度和荷載就不會(huì)對(duì)總體剛度和整體計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，也就能夠更精確地模擬結(jié)構(gòu)剛度的逐層形成和各階段荷載逐步施加的過(guò)程，對(duì)于高層建筑的內(nèi)力和豎向變形值的計(jì)算有很好的適用性，能夠真實(shí)地反映高層建筑在逐層施工過(guò)程中的實(shí)際變化，但需要面對(duì)較大的計(jì)算量。實(shí)際施工過(guò)程中，也不可能等待混凝土構(gòu)件在28d強(qiáng)度后再進(jìn)行下一層的施工，也就無(wú)法考慮混凝土齡期對(duì)混凝土構(gòu)件的彈性模量的影響。2.分區(qū)激活法

基于逐層激活法存在的一些局限性，進(jìn)而產(chǎn)生了分區(qū)激活法，難以應(yīng)對(duì)逐層激活法，隨著樓層增設(shè)而不斷增加的計(jì)算量。這種方法就是把高層建筑以高度為基礎(chǔ)分成不同的區(qū)段，每一個(gè)區(qū)段會(huì)對(duì)應(yīng)數(shù)量不同的樓層。施工模擬分析時(shí)，通過(guò)從上到下的方法分區(qū)段激活，也就減少了計(jì)算量，也能夠避免誤差。

3.特殊結(jié)構(gòu)高層建筑施工模擬技術(shù)

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是一種較為特殊的建筑結(jié)構(gòu)，且形式多樣。隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，使用范圍也越來(lái)越廣泛，施工模擬方法的選擇也較為復(fù)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中使用的轉(zhuǎn)換桁架或者環(huán)桁架構(gòu)件高度往往達(dá)到了2-3個(gè)結(jié)構(gòu)樓層的高度，逐層激活法無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及豎向變形值。各種形式的躍層結(jié)構(gòu)如空腹桁架、交錯(cuò)桁架以及懸掛結(jié)構(gòu)等，也無(wú)法使用逐層激活法進(jìn)行計(jì)算。因此在施工模擬中需要準(zhǔn)確地劃分荷載步，從而選擇準(zhǔn)確的激活范圍。在分析每一個(gè)荷載步時(shí)，都要基于上一個(gè)荷載步的結(jié)構(gòu)剛度矩陣來(lái)計(jì)算新荷載步對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)，N個(gè)荷載步，就需要有N次結(jié)構(gòu)剛度矩陣和N次內(nèi)力計(jì)算。

三、施工模擬分析中的豎向變形影響因素

1.建筑結(jié)構(gòu)體系

不同的建筑結(jié)構(gòu)體系，在剛度和荷載上也會(huì)有所不同如框架-支撐和框架-延性剪力墻這兩種結(jié)構(gòu)體系在側(cè)向上剛度較大，能夠和建筑框架形成一個(gè)協(xié)同抗側(cè)力體系，具備了良好的抗震性能，且剪力墻的荷載主要來(lái)自橫向水平承受力，而沒(méi)有豎向的荷載產(chǎn)生，內(nèi)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(guò)程，會(huì)產(chǎn)生收縮徐變現(xiàn)象，其變形值會(huì)影響到建筑結(jié)構(gòu)的彈性變形值。上層施工時(shí)不會(huì)等到下層在28d強(qiáng)度后再進(jìn)行，一般在下層混凝土7d齡期后就會(huì)開(kāi)始上層的施工，因此施工過(guò)程中會(huì)受到混凝土收縮與徐變的影響，從而對(duì)豎向變形值產(chǎn)生影響。我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)一般都是鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)，而其中的鋼構(gòu)件又不會(huì)出現(xiàn)收縮與徐變現(xiàn)象，因此混凝土的收縮徐變就會(huì)使鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件在豎向變形值上產(chǎn)生較大的差異，這種差異值自下而上進(jìn)行累積后，會(huì)增加框架梁以及水平加強(qiáng)層構(gòu)件的內(nèi)力值，從而對(duì)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備產(chǎn)生較大影響。

3.溫度的影響

環(huán)境溫度會(huì)對(duì)建筑構(gòu)件溫度產(chǎn)生影響，不同材料受到環(huán)境溫度的約束情況也會(huì)有所不同，因此構(gòu)件內(nèi)力的變化情況會(huì)有一定的差異。這種變化在混凝土結(jié)構(gòu)和室內(nèi)構(gòu)件上的溫差反應(yīng)上不明顯，但室外構(gòu)件則可能產(chǎn)生較大的溫差。使用階段和施工階段存在的溫差，可能會(huì)拉伸或縮短結(jié)構(gòu)構(gòu)件，從而使構(gòu)件內(nèi)力值產(chǎn)生變化，隨著內(nèi)力累積效應(yīng)的增加，會(huì)對(duì)頂部水平構(gòu)件或者底部豎向構(gòu)件產(chǎn)生不同的影響?；旌辖ㄖY(jié)構(gòu)各材料構(gòu)件對(duì)于溫度變化的感應(yīng)有所不同，從而使構(gòu)件在豎向變形值有所不同，進(jìn)而影響到水平構(gòu)件的內(nèi)力值。

4.基礎(chǔ)沉降

基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的原因主要是地基的不均勻以及建筑上部結(jié)構(gòu)的荷載差異，從而導(dǎo)致建筑的不均勻沉降，一旦沉降值超過(guò)允許范圍，就可能會(huì)使建筑發(fā)生損壞現(xiàn)象，導(dǎo)致安全儲(chǔ)備下降?；A(chǔ)沉降在模擬技術(shù)中是難以計(jì)算的，因此需要通過(guò)設(shè)計(jì)和施工階段的附加措施減少基礎(chǔ)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(fēng)較快，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土凝結(jié)程度和強(qiáng)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(jīng)完成施工的混凝土強(qiáng)度有所不同，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形影響也就不同，并且施工速度對(duì)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(jié)語(yǔ)

高層建筑在施工過(guò)程中，因階段性的荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能會(huì)引發(fā)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(guān)鍵步驟?？茖W(xué)分析荷載，依據(jù)一定的荷載步劃分激活區(qū)域，能夠使模擬分析結(jié)果更加接近使用階段的實(shí)際數(shù)據(jù)，更加準(zhǔn)確的反應(yīng)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和豎向變形的數(shù)值變化。

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1007-6344（2017）01-0207-01