Category: Structural Design [结构设计]

实干、实践、积累、思考、创新。 由于这个主题是与施工过程相关的，这里先引入施工过程的相关概念。《高规》5.1.8：高层建筑结构在进行重力荷载作用效应分析时，柱、墙、斜撑等构件的轴向变形宜采用适当的计算模型考虑施工过程的影响；复杂高层建筑及房屋高度大于150m的其他高层建筑结构，应考虑施工过程的影响。 从计算上讲，这块内容可以统称为施工模拟计算，施工模拟计算是一个很复杂的专题，包括很多复杂的内容，这里仅讨论常用设计软件（YJK、PKPM）在考虑施工次序对恒载计算进行处理时的方法，主要包括：一次性加载、模拟施工1、模拟施工3。这也是平时我们在设计项目时遇到最多的。主要测算这几种算法的区别，并与设想进行对比。边做 边思考 边总结…… 1.1 一次性加载 一次性加载简单说就是不做任何处理，一次性整体形成刚度，恒载一次性施加。从计算上讲，就是直接形成结构整体刚度，不考虑施工顺序，荷载列向量也一次形成。 1.2 模拟施工1 “模拟施工加载1”与“模拟施工加载2”算法均采用了一次集成结构刚度，分层施加恒载，只计入加载层以下的节点位移量和构件内力的做法，来近似模拟考虑施工过程的结构受力。二者不同之处在于，“模拟施工2”在集成总刚时，对墙柱的竖向刚度进行了放大，以缩小墙、柱之间的轴向变形差异，更合理的给基础传递荷载。（摘自PKPM帮助文档，目前软中已经取消了 “模拟施工加载2”这个选项了。） 图1.2-1 “模拟施工1”的刚度和加载模式 从上图也可以看出，“模拟施工1”的加载模式实际上是完全虚构的一种模式，实际上压根不存在。 1.3 模拟施工3 “模拟施工3”是采用由用户指定施工次序的分层集成刚度、分层加载进行恒载下内力计算。该方法可以同时考虑刚度的逐层形成及荷载的逐层累加。“施工模拟3”是对“施工模拟1”的改进，用分层刚度取代了“施工模拟1”中的整体刚度。模拟施工3采用了分层刚度分层加载的模型，这种方式假定每个楼层加载时，它下面的楼层已经施工完毕，由于已经在楼层平面处找平，该层加载时下部没有变形，下面各层的受力变形不会影响到本层以上各层，因此避开了一次性加载常见的梁受力异常的现象（如中柱处的梁负弯矩很小甚至为正等）。这种模式下，该层的受力和位移变形主要由该层及其以上各层的受力和刚度决定。用这种方式进行结构分析需要形成最多N（总施工步数）个不同结构的刚度阵，解N次方程，计算量相应增加。（摘自YJK及PKPM帮助文档） 图1.3-1 “模拟施工3”的刚度和加载模式 1.4 测算实例 一个最简单的10层结构，4个柱，楼面恒载加很大，尽量降低自重的影响。不考虑P-DELTA（暂且先避免非线性因素的影响），分别采用一次性加载、模拟施工1及模拟施工3加载进行计算，并统计结构的竖向位移。 图 1.4-1 算例模型 3种方法计算得恒载下的竖向位移结果如下表： 表1.4-1 不同算法恒载作用下的楼层竖向位移 绘成图如下： 图 1.4-2 不同算法楼层恒载竖向位移（左：一次性加载；中：模拟施工1；右：模拟施工3） 由图可见以下三点： （1）“一次性加载”构件的竖向位移是底部小，顶部大。 （2）“模拟施工1”加载下，构件的竖向位移也是底部小，顶部大。 “模拟施工1”及“一次性加载”的楼层竖向位移居然是相同的！！（一开始看起来很惊讶，不过后面分析完就清楚了。） （3）“模拟施工3”加载下，构件的竖向位移是中部楼层大，顶部和底部楼层小，竖向位移的楼层曲线的形状为中间凸出。 以下对这3个问题逐个进行解答，我们直接通过手算算例来反演上述结果，并同时给出一些其他信息。首先假定每一层恒载作用在该层产生的位移为1，以下给出不同算法下10层结构恒载作用下的竖向位移结果。 1.4.1  “一次性加载”手算反演   首先进行“一次性加载”的手算。为便于和后续“模拟施工1”及“模拟施工3”的计算进行对比，这里将“一次性加载”的恒载分10次施加，第一次施加首层荷载，第二次施加二层的荷载，以此类推，第10层施加第10层的荷载，将每次施加荷载引起的竖向位移进行叠加可得到总位移。 这里必须解释一下，虽然“一次加载”是在一次性形成整体刚度的清苦下一次性是施加所有层的荷载，但由于体系处于线性，“线性体系满足叠加原理”，因此这里可以把10层荷载分10次施加再叠加。 …