高层建筑施工模拟技术实践研究

2017-04-09徐涛吴彬

四川水泥 2017年1期

关键词：徐变内力构件

徐涛吴彬

（湖北工业职业技术学院建筑工程系湖北十堰 442000）

高层建筑施工模拟技术实践研究

徐涛吴彬

（湖北工业职业技术学院建筑工程系湖北十堰 442000）

高层建筑施工时，为了提高建筑质量和安全储备，需要进行研究施工模拟。分区激活法是较逐层激活法更为先进的一种方法，根据荷载情况科学划分激活范围，并分析混凝土徐变、温度、基础沉降、施工速度等因素的影响，使用科学的计算方法，避免高层建筑的结构构件内力和竖向变形数值在施工阶段和使用阶段产生差异。

高层建筑；施工模拟；分区激活法；竖向变形

现代建筑工程高层化趋势越发明显，因此建筑结构设计的要求也越来越高。设计师在设计高层建筑时需要充分考虑荷载效应，一般而言，设计师在计算时，通常会通过使用阶段的结构模型进行分析，然后考虑在多加入一个荷载工况或者多个荷载工况的基础上，会产生的荷载效应，即一次性加载计算。这种计算方法对于非高层建筑有一定的科学性，但高层建筑由于施工过程中会因为结构形态以及荷载状态的变化而产生一个动态变化过程，因此结构体系可能会发生转换，施工荷载可能会有所增减。荷载效应在使用阶段和施工阶段会有较大差距，从而带来较大的安全隐患，高层建筑要加强质量安全，就需要在施工阶段就进行力学分析，考虑实际的力学反应可能会对建筑结构产生的影响。施工模拟就是基于这种力学效应而采取的措施。

一、高层建筑施工模拟技术的必要性

建筑结构计算，一般都是全部建成后，对结构荷载进行一次性计算。但建筑施工过程中，建筑结构会因为自重的增加和结构构件的逐步完成，对结构内部的荷载以及变形产生影响，定性加载计算无法反映出这种施工过程中的真实变化情况。随着施工阶段的变化，结构外形、内力和边界条件都会随着时空变化而变化，不同的结构构件，内力和变形并不会在同一时刻达到最大值，因此结构内力和竖向变形可能会在不同部位达到最大值。为保证施工过程中能够更准确的把握结构体系的力学变化，必须对结构体系采取施工模拟计算，从而对实际施工时的楼层标高的找平、刚度的逐层成型以及荷载的逐层施加等进行分析，能够更真实的反映紧身构件的变形值和横向构件的应力变化，使结构分析更符合实际施工结果。

二、高层建筑施工模拟分析方法

1.逐层激活法

高层建筑的施工模拟技术优先使用的是逐层激活法，即逐步激活法，有限元模型软件的生死单元技术对于是这种分析技术的常用技术，具体来说，把所有的结构单元都杀死后，就能够使结构自重以及荷载等属性数据都成为零，再根据结构的实际施工工序，将结构单元逐层激活，结构自重和荷载等属性也会从初始值开始产生变化，直到最终的整体结构成型。再消除未建造的结构单元，这些结构单元的刚度和荷载就不会对总体刚度和整体计算结果产生影响，也就能够更精确地模拟结构刚度的逐层形成和各阶段荷载逐步施加的过程，对于高层建筑的内力和竖向变形值的计算有很好的适用性，能够真实地反映高层建筑在逐层施工过程中的实际变化，但需要面对较大的计算量。实际施工过程中，也不可能等待混凝土构件在28d强度后再进行下一层的施工，也就无法考虑混凝土龄期对混凝土构件的弹性模量的影响。2.分区激活法

基于逐层激活法存在的一些局限性，进而产生了分区激活法，难以应对逐层激活法，随着楼层增设而不断增加的计算量。这种方法就是把高层建筑以高度为基础分成不同的区段，每一个区段会对应数量不同的楼层。施工模拟分析时，通过从上到下的方法分区段激活，也就减少了计算量，也能够避免误差。

3.特殊结构高层建筑施工模拟技术

转换结构是一种较为特殊的建筑结构，且形式多样。随着建筑技术的发展，使用范围也越来越广泛，施工模拟方法的选择也较为复杂。在建筑上部荷载量较大的情况下，一般使用多层挺好梁转换结构。结构中使用的转换桁架或者环桁架构件高度往往达到了2-3个结构楼层的高度，逐层激活法无法准确计算这种结构的内力及竖向变形值。各种形式的跃层结构如空腹桁架、交错桁架以及悬挂结构等，也无法使用逐层激活法进行计算。因此在施工模拟中需要准确地划分荷载步，从而选择准确的激活范围。在分析每一个荷载步时，都要基于上一个荷载步的结构刚度矩阵来计算新荷载步对于结构刚度的贡献，N个荷载步，就需要有N次结构刚度矩阵和N次内力计算。

三、施工模拟分析中的竖向变形影响因素

1.建筑结构体系

不同的建筑结构体系，在刚度和荷载上也会有所不同如框架-支撑和框架-延性剪力墙这两种结构体系在侧向上刚度较大，能够和建筑框架形成一个协同抗侧力体系，具备了良好的抗震性能，且剪力墙的荷载主要来自横向水平承受力，而没有竖向的荷载产生，内框架以及框架柱有明确的荷载分工。

2.混凝土徐变特性

混凝土的凝固和荷载承受过程，会产生收缩徐变现象，其变形值会影响到建筑结构的弹性变形值。上层施工时不会等到下层在28d强度后再进行，一般在下层混凝土7d龄期后就会开始上层的施工，因此施工过程中会受到混凝土收缩与徐变的影响，从而对竖向变形值产生影响。我国高层建筑结构一般都是钢筋混凝土混合结构，而其中的钢构件又不会出现收缩与徐变现象，因此混凝土的收缩徐变就会使钢构件与混凝土构件在竖向变形值上产生较大的差异，这种差异值自下而上进行累积后，会增加框架梁以及水平加强层构件的内力值，从而对结构安全储备产生较大影响。

3.温度的影响

环境温度会对建筑构件温度产生影响，不同材料受到环境温度的约束情况也会有所不同，因此构件内力的变化情况会有一定的差异。这种变化在混凝土结构和室内构件上的温差反应上不明显，但室外构件则可能产生较大的温差。使用阶段和施工阶段存在的温差，可能会拉伸或缩短结构构件，从而使构件内力值产生变化，随着内力累积效应的增加，会对顶部水平构件或者底部竖向构件产生不同的影响。混合建筑结构各材料构件对于温度变化的感应有所不同，从而使构件在竖向变形值有所不同，进而影响到水平构件的内力值。

4.基础沉降

基础沉降产生的原因主要是地基的不均匀以及建筑上部结构的荷载差异，从而导致建筑的不均匀沉降，一旦沉降值超过允许范围，就可能会使建筑发生损坏现象，导致安全储备下降。基础沉降在模拟技术中是难以计算的，因此需要通过设计和施工阶段的附加措施减少基础沉降的影响。

5.施工速度

混凝土的徐变特性是施工速度影响竖向变形值的主要因素，混凝土徐变速度在前200天之风较快，随着时间的延长，混凝土凝结程度和强度也就越高，因此弹性压缩空间也就越小。施工速度的不同，也就意味着已经完成施工的混凝土强度有所不同，因此对于结构构件的变形影响也就不同，并且施工速度对于核心筒的竖向变形的影响要小于框架柱，但总体影响较小。