土木工程施工中建筑结构受力性能研究

赵 梗，刘汉生，朱宝玉

（1.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430080；2.武汉市农业科学技术研究院，湖北 武汉 430065；3.中国一冶集团有限公司建安公司，湖北 武汉430080）

土木工程施工中建筑结构受力性能研究

赵 梗1，刘汉生2，朱宝玉3

（1.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430080；2.武汉市农业科学技术研究院，湖北 武汉 430065；3.中国一冶集团有限公司建安公司，湖北 武汉430080）

为减少建筑用地，各种高层建筑的建设更是随处可见.不同设计单位对建筑构件受力机理的认识、理解，以及设计方法都有各自的特点，所应用的理论也不统一.文章在已经掌握的技术与经验的基础上，从建筑的结构入手，利用SAP2000建立有限元模型，对逐层加载法模拟施工过程中建筑结构的受力性能进行了初步的研究.

土木工程；建筑结构；受力研究

为减少建筑用地，各种高层建筑的建设更是随处可见.框架结构、剪力墙、异形柱等建筑结构在普通的建筑中也都得到了广泛的应用.因不同设计单位对建筑构件受力机理的认识、理解及设计方法都有各自的特点，所应用的理论也不统一[1-6].笔者根据自身已经掌握的技术与经验，从建筑的结构入手，利用SAP2000建立有限元模型，对逐层加载法模拟施工过程中建筑结构的受力性能进行了初步的研究.

1 国内外对施工中建筑结构的受力研究现状

目前对建筑结构的受力研究大多集中在建筑完成后，一次施加负载的方法进行各项性能分析研究.对于逐层加载的建筑结构受力研究还相对较少，主要有矩阵叠代法、总体刚度矩阵一次形成分层加载法、修正分层法和平面简化手算法.以上方法都是建立在刚性基础的简化平面上进行的分析，与日益复杂建筑结构施工中的实际受力状态不能很好相符.正确模拟施工过程，己成为建筑结构设计和分析中不需考虑的阶段.

2 建筑结构受力分析的理论计算基础及有限元模型的建立

2.1 建筑结构受力分析的理论计算基础

建筑施工中受力分析的理论计算基础主要有有限元仿真分析、利用ANSYS建立有限元模型模拟施工过程受力、利用TBSA建立有限元模型模拟施工过程受力和利用SAP2000建立有限元模型模拟施工过程受力三种方法.由于施工过程复杂、人为影响因素多，通过仿真模拟施工过程的研究方法还存在一定的缺陷.本文通过SAP2000建立有限元模型，对逐层加载法模拟施工过程建筑结构的受力情况进行了浅要的研究.

2.2 建筑结构的SAP2000有限元模型的建立

构建建筑结构有限元模型，首先需要建立建筑结构的基本单元，包括梁、柱的空间杆单元，楼顶、屋盖的板单元，剪力墙的壳单元.空间杆单元的设计时，考虑每个结点位移的自由度，主惯性距、剪切影响系数、有效抗剪面积、扭转惯性距等参数.板单元的模拟采用弹性薄板理论，对板单元的弯曲问题采用忽略板单元厚度方向的正应力，板内各点对中面无位移，板单元中面法线在形变发生后不变的处理方法简化板单元的受力分析，只考虑节点处的节点力、应变力、内力矩阵、物理矩阵和材料常数.对于壳单元，采用平板壳单元的分析模式进行设计.完成基本单元的设计后，按某地一教学楼案例，组建一个抗震强度为8级的现浇混凝土框架——剪力墙结构模拟仿真模型，计算模型采用强柱弱梁结构.建筑物共计4层、无水箱和机房，底层层高为3.75 m，其他层层高为3.6 m.楼板厚度180 mm，剪力墙厚度250 mm，采用C30混凝土，框架梁上线荷载6.5 kN/m，混凝土自重25 kN/m3，教室楼面荷载2 kN/m2，卫生间、楼梯、走廊楼面载荷2.5 kN/m2.

3 施工中建筑结构的受力性能分析

3.1 有限元模型各基本单元的刚度矩阵

1）空间杆单元刚度矩阵

式中，Iy、Iz为对y和z轴的主惯性矩；、是对y和轴方向的剪切影响系数；Ay、Az是杆截面沿y和轴方向的有效抗剪面积；Jk是x轴的扭转惯性矩.

2）板单元刚度矩阵

由于板单元为非收敛单元，因而得到的数据较为准确.

3）壳单元刚度矩阵

3.2 建筑结构的有限元模型计算结果

有限元模型计算结果：

通过模拟施工过程有限元模型加载结果可知，在建筑施工中建筑结构的边跨梁、柱已经开始受到各个应力的作用，整个建筑结构的弯矩呈现为中间小，两边大的趋势；中梁、柱受到的主要为自身及上部建筑结构的重力.由此表明，在建筑的施工中建筑结构所受到的各项应力会对建筑的整体结构性能产生一定的影响.

4 结语

由于建筑使用功能要求的不同，在建设时必须考虑到转换层的设置问题，且随着带转换层建筑数量的增多，建筑结构的设计施工工作也更为复杂.对于施工阶段对建筑结构的受力、形变以及影响后期使用性能的分析及研究的资料目前来说还相对较少.加强施工阶段的建筑结构受力性能研究，有利于整个建筑工程的顺利施工，有利于保证整体建筑的质量和使用寿命，有利于巩固创新建筑设计的理论基础.总之，有必要加强施工阶段建筑结构受力性能的分析及研究.

[1]包世华.新编高层建筑结构设计[M].北京：清华大学出版社,2001.

[2]闰冬.SAP2000结构工程分析及实例详解[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[3]曹裕阳,刘开强.高层建筑结构分阶段施工的受力分析[J].四川建筑,2007,27(6):156-157.

[4]方东平,耿川东,祝宏毅,等.施工期钢筋混凝土结构的安全分析与安全指标[J].土木工程学报,2002,35(2):1-7,19.

[5]赵挺生,龙奋杰,方东平,等.钢筋混凝土建筑结构施工短暂状况设计分析[J].工程力学,2004,21(4):39-44.

[6]江见鲸.土建结构中的计算力学[J].计算结构力学及其应用,1993,10(2):228-232.

Study of Mechanical Properties of the Building Structures in Civil Engineering Construction

ZHAO Geng1，LIU Hansheng2，ZHU Baoyu3
（1.College of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan430080，China；2.Institute of Agricultural and Science and Technology,Wuhan，Wuhan430065，China；3.Jian'an Corporation of Chinese first Metallurgical Group Go.，Ltd.，Wuhan430080，China）

With economic development and people's production and living needs,variety building have a greater devel⁃opment.To reduce the building cand,a variety of high-rise building construction is everywhere.Different units have their own characteristies about their knowledge and understanding of bearing meachanism of the building elements and design methods,and so the application of the theory isn't unified.In this paper,based on the author's technology and ex⁃perience,starting from the structure of the building,finite element model was simulated by SAP2000 and the bearing per⁃formance of building structure in step by step simulation was perliminarily studied.

civil engineering;building structure;Bearing Research

TU 973

A

1674-4942（2011）01-0060-04

2010-11-10

黄 澜