型钢混凝土转换桁架施工精确模拟分析

邓年春,邓路云,邓宇

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁545005;2.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州545006)

型钢混凝土转换桁架施工精确模拟分析

邓年春1,2,邓路云2,邓宇2

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁545005;2.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州545006)

研究型钢混凝土转换桁架施工过程的内力发展情况.以有限元软件Midas/Gen为计算平台，采用精确的施工模拟方法，对广西柳州市柳东新区某企业总部大楼进行施工模拟，进而详细分析了型钢混凝土转换桁架在施工过程中的内力和位移变化规律.结果表明:随着施工的进行，结构内力总体呈增大趋势，但存在内力突变.可以确定型钢混凝土转换桁架施工过程中的最不利位置，为工程施工和类似工程的计算分析提供参考.

型钢混凝土;转换桁架;施工模拟

0 引言

利用转换层结构实现建筑的垂直转换，在大空间和大跨度的高层结构中大量采用［1］.目前普通的钢筋混凝土结构和梁式转换层结构已不能满足高层以及超高层建筑结构的要求.转换桁架在满足结构垂直转换的同时，又满足高层结构大空间、大跨度要求.型钢混凝土结构中的型钢被混凝土包裹，提高钢结构耐火性、防腐蚀性和受力稳定性，改善了抗震性能，在工程中逐渐被采用［2］;因此，在一些大跨度、高层结构中采用型钢混凝土转换桁架结构.目前，对型钢混凝土转换桁架施工过程，尚缺少过程的施工模拟分析［3-4］，本文拟以广西柳州市柳东新区某企业总部大楼为依托，对型钢混凝土转换桁架进行施工阶段模拟，为类似工程提供参考.

1 工程概况

图1 柳东新区某企业总部大楼示意图Fig.1 Liudong New District headquarters building

柳东新区某企业总部大楼位于柳州市柳东新区，立面图见图1，其结构是地下2层、地上20层，1层的层高为5.4 m，2层至20层每层的层高为4.2 m，建筑总高度为92.80 m.结构形式采用框架-核心筒结构(带桁架转换层).转换层钢桁架共四榀(B，E，G，K轴)，位于7层至15层楼面，钢桁架与两端核心筒上的钢骨柱相连，钢桁架净跨度为50.60 m，高度为34.30 m.钢桁架底与地下室底板面之间的距离为35.60 m.钢桁架外包钢筋混凝土，桁架之间在楼层部位采用钢筋混凝土梁、板连接，型钢混凝土转换桁架底部距地下室底板面高度为35.45 m.

办公楼四榀型钢混凝土转换桁架的施工顺序是:首先，对四榀桁架整体提升;然后，从底板到7层进行高大模板支撑;最后，逐层浇筑7层至屋面层混凝土结构.

2 施工模拟建模

利用Midas/Gen有限元分析软件，对结构进行建模分析.与施工过程类似，先建立转换桁架两侧的塔楼模型，并用柱体系模拟7层施工的支撑体系.计算过程中，框架柱及转换桁架的斜撑、竖柱和弦杆均采用梁单元，楼板和混凝土核心筒采用板单元;并考虑施工中各种荷载因素的影响(包括结构自重、施工荷载、混凝土收缩徐变等)［5］.

浇筑7层至屋面层混凝土结构施工步骤为:建立7层梁板的支撑体系和模板，绑扎7层梁板结构钢筋并浇筑混凝土，待混凝土达到28 d强度后，搭设8层结构支撑脚手架和模板，浇注8层的混凝土，再待混凝土达到28 d强度后，搭设9层结构支撑脚手架和模板，以此类推逐层浇注施工，最后直至楼顶层封顶.部分典型施工阶段模型见图2.

图2 部分典型施工阶段模型图Fig.2 Part of the typical construction stage model

3 施工模拟结果分析

在施工过程中，转换桁架部分由钢结构形式逐渐转变为型钢混凝土结构形式，由临时支撑杆件连接的四榀钢桁架转换成由钢筋混凝土梁连接的大空间型钢混凝土转换桁架，结构形式发生转变，结构内力也不断发生变化.在Midas/Gen中提取转换桁架的斜撑、竖柱以及弦杆3类典型构件内力进行分析，由于转换桁架结构受力基本对称，故只取转换桁架左幅构件进行受力分析.

3.1 斜撑受力分析

在整个施工过程中，斜撑单元受力最大，主要承受拉力和压力，且内力分布均匀规则，关于17轴对称，最大内力为压力出现在与两侧塔楼连接处(即11轴～12轴之间斜撑)，满足转换桁架“强斜腹杆，强节点”原则［6］.具体内力情况见图3所示(仅取11轴～14轴之间斜撑进行内力分析).

在整个施工阶段，B与K，E与G榀桁架斜撑的内力变化基本相似，与两侧塔楼连接处的斜撑(即11轴～12轴斜撑)主要承受压力(负值)，12轴～14轴斜撑主要承受拉力(正值).在施工到15层之前，斜撑受力分布相对较分散;施工完15层之后，斜撑内力变化一致均匀增大.

图3 B,E,G,K四榀桁架斜撑Fx图Fig.3 Axial force Fxgraph of B,E,G,K four axis truss bracing

以B榀桁架斜撑为例，图3(a)中，每一条曲线代表一个斜撑，曲线上的点代表施工到该楼层时此斜撑的内力值.11轴～12轴斜撑承受压力，12轴～14轴斜撑承受拉力，随着施工楼层不断升高，结构荷载逐步增加，刚度逐渐形成，斜撑内力不断增大，当施工完成时，斜撑承受压力最大可达11 160 kN，承受拉力最大可达8 205 kN.7层～9层斜撑横跨两层，在施工7层、8层时，此处斜撑一部分为型钢混凝土结构，一部分为钢结构，所受内力很小;当施工完第9层时，此处斜撑由钢结构形式完全转变为型钢混凝土结构形式，刚度变大，所承受的压力也大幅增长，这是第1个内力转折点.随着施工楼层继续增高，结构荷载逐步增加，刚度逐渐形成，斜撑内力平缓增长.当施工完15层后，型钢混凝土转换桁架完全形成，传力方向和位置发生变化，产生类似拱传力的效果，使得结构受力更加均匀合理，11轴～12轴7层～9层斜撑所受压力有所减小，这是第2个内力转折点.随着施工楼层继续增高直至封顶，此处斜撑内力逐渐增大.实际施工时，应加强对此内力转折处构件的实时监测.

3.2 竖柱受力分析

随着施工的进行，结构逐渐成型，结构荷载逐步增加，刚度逐渐形成，竖柱内力由最初受拉逐渐变为受压(以轴力Fx为例)，内力值逐渐增加，见图4所示.在转换桁架未施工完成之前(即施工15层之前)，上部结构传力方式主要为向下以45。角的方向传给斜撑，而竖柱受力均较小，多集中于±1 000 kN以内.四榀桁架中，底层第7层～第9层层间立柱在施工过程中以受拉为主，其他立柱随着施工进度的进行由受拉逐渐变为受压，并且各杆件内力对称，其中14轴11层～13层竖柱承受最大压力.

图4 B,E,G,K四榀桁架立柱Fx图Fig.4 Axial force Fxgraph of B,E,G,K four axis truss column

3.3 弦杆(型钢混凝土梁)受力分析

施工过程中转换层桁架型钢混凝土梁主要承受压弯作用，针对型钢混凝土梁的内力分析，现提取各个施工阶段各层梁的最大弯矩值可以体现型钢混凝土梁内力分布规律［7-8］.随着施工的进行，构件逐渐成型，结构荷载逐步增加和刚度逐渐形成，型钢混凝土梁的内力(以弯矩为例)也逐渐增加.转换桁架型钢混凝土梁的弯矩内力以负弯矩(图中取弯矩绝对值)为主，整体表现为在桁架端部、16轴～18轴大跨处弯矩较大.施工过程中梁的内力变化如图5所示.

四榀桁架中型钢混凝土梁内力(弯矩绝对值)变化情况基本一致，且与斜撑相似，由于结构形式转变，均存在2个内力转折点.且由于B榀转换桁架16轴～18轴交第9层、第11层和第15层钢骨梁的跨度较大，E榀转换桁架16轴～18轴交第9层、第10层、第11层、第12层及第15层梁的跨度较大，梁的挠度较大且内力值有突变，在施工过程中应加强施工监控.从图5可以看出，15层弦杆内力突变最大，实际施工时不应忽视.

4 结论

采用Midas/Gen软件，以柳东新区企业总部大楼建设为背景，对型钢混凝土转换桁架施工过程进行精确模拟，绘制斜撑、竖柱以及型钢混凝土梁的施工过程内力曲线，由分析结果可得出如下结论:

1)柳东企业大楼建筑结构基本对称，整个施工阶段，结构受力和变形也基本对称.四榀桁架中，E，G两榀桁架相较B，K两榀桁架受力较大.随着施工的进行，结构内力不断增大，但存在内力突变.故结构设计时，应考虑到部分构件可能存在内力突变，适当调整构件截面;同时，施工过程中，还应监测可能存在内力突变构件的应力、应变情况;

2)两端11轴～12轴、22轴～23轴之间斜撑以及14轴～16轴、18轴～20轴之间斜撑受压，12轴～14轴、16轴～17轴、17轴～18轴、20轴～22轴之间斜撑受拉，斜撑受力大于竖柱和钢骨梁.底层(7层～9层)竖柱受拉，上部竖柱受压.钢骨梁主要承受压弯作用;因此，实际施工时可根据施工模拟结果初步确定受拉构件，并时刻监控是否产生拉裂缝，为结构的施工安全提供保障;

3)当型钢混凝土转换桁架为未完全施工完成时，桁架结构受力差异大，型钢混凝土受力明显大于上部钢结构部分;

4)转换桁架结构形式的转变，即由钢结构形式转换为型钢混凝土结构形式，内力传递途径发生变化，对其内力影响很大;因此，对结构进行精确施工模拟十分必要.

［1］张旭.高层建筑转换层大梁结构的施工［J］.广西工学院学报，2000，11(4):66-70.

［2］聂建国，余志武.钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用［J］.土木工程学报，1999，32(2):3-8.

［3］张陶，莫志荣.高层建筑结构转换层施工初探［J］.广西工学院学报，2005，16(4):60-65.

［4］刘劲松，裘涛，王翠坤，等.带高位大跨钢桁架转换层建筑结构动力分析［J］.建筑结构，2008，38(3):61-64.

［5］张韬，范学明.基于Midas/gen的广州兴业仓储科研主楼施工过程仿真分析研究［J］.科学技术与工程，2012，12(24):6077-6081.

［6］唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［7］中冶集团建筑研究总院.YB9082-2006钢骨混凝土结构技术规程［S］.北京:冶金工业出版社，2007.

［8］中国建筑科学研究院.JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，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

(学科编辑:黎娅)

2015-11-30

广西大学科研基金资助项目(XTZ150324)资助.

邓年春，工学博士，教授级高级工程师，研究方向:工程结构的施工技术研究及装备研发、工程结构的健康诊断与维修加固，E-mail: dengnch@163.com.