关于高层建筑结构考虑施工过程的受力性能研究

陈 旭 元

(江苏工程职业技术学院建筑工程学院，江苏 南通 226300)



关于高层建筑结构考虑施工过程的受力性能研究

陈 旭 元

(江苏工程职业技术学院建筑工程学院，江苏 南通 226300)

以某高层办公楼建筑为例，通过建立模型，对两种加载方式下梁弯矩的受力性能进行了仿真分析，并对两种加载方式产生的误差作了探讨，指出高层建筑结构的受力性能分析计算需考虑施工过程的影响作用，且需采取有效措施降低误差，提升计算结果的准确性。

高层建筑，受力性能，弯矩，加载方式

0 引言

随着城市化进程的加快和科学技术的进步，高层建筑应运而生，其施工技术不断发展成熟，在施工的过程中对其受力性能的分析也越来越受到关注。相较于完工的高层建筑来说，处于施工阶段的高层建筑在结构体系上有着一定的特殊性，结构几何、边界及物理条件随着时间的推移而不断变化，其属于一种时变结构体系，应当采用时变结构体系模型进行结构分析，保证内力分布的分析符合实际。就目前来看，对高层建筑分析和设计的相关研究往往以“已建成”结构作为研究对象，没有对施工过程的结构受力进行分析，这很可能导致误差产生。基于此，本文简要研究了高层建筑结构考虑施工过程受力性能的相关问题，旨在为高层建筑结构设计和建造实践提供参考。

1 工程概况

以某高层办公楼建筑施工为例，其抗震设防烈度为8度，属于现浇混凝土框架—剪力墙结构，整个建筑共12层，属于高层建筑，不设地下室，采用现浇钢筋混凝土筏板基础。整个建筑构造采用C30混凝土，地层高度为5 m，其他层高度为3.6 m，1层～5层剪力墙厚度为250 mm，其余层剪力墙厚度为180 mm，楼板厚度为180 mm。

2 模型建立

对于建筑结构来说，其主要包括节点、杆、块体及板等形式构件，在SAP2000程序中，分别用点、线、面、体来表示。其中点对象为节点形式，在对其他对象绘制的过程中会自动生成点对象，其属于单元组成的基本元素。线对象主要模拟柱、支撑及梁体等框架结构，用线单元形式来表示框构件[1]。用面对象对板、坡面及壁等面几何属性构件进行模拟，以三角形或四边形的形式存在。用实体对象模拟水坝等大型砌筑体或壁较厚的建筑物。

在仿真分析的过程中，对象模型会自动转换为分析模型，以此作为有限元分析数据，例如通过点对象转化为点单元，通过面对

象转化为壳单元等。同时外界荷载也会转化到分析模型中，从而实现对高层建筑结构考虑施工过程的受力性能分析。整个模型生成过程可以分为建模、模型分析及模型设计等三个步骤。

3 受力性能仿真分析

高层建筑结构在施工过程中的受力是十分复杂的，包括梁柱的弯矩和剪力、板内力、剪力墙内力、柱轴力等等。模拟采用两种加载方式，一种是传统的一次性加载方式，一种是模拟施工过程的加载方式[2]。对不同方式的高层建筑结构受力性能进行分析，本文以两种加载方式下高层建筑结构梁弯矩的仿真分析为例。

3.1 边跨梁弯矩比较

对两种加载方式下边跨两端弯矩进行比较，比较结果如图1所示(图1a)为边跨梁左端弯矩比较，图1b)为边跨梁右端弯矩比较)。

分析结果如下：

1)相较于一次性加载方式来说，模拟施工过程加载方式下边跨梁左端弯矩值绝对值计算结果要小4.9%～92.9%(底层除外)；在2层～5层之间，两种加载方式下边跨梁右端弯矩值绝对值计算结果基本一致，而在6层以上，相较于一次性加载方式来说，模拟施工过程加载方式下边跨梁右端弯矩值绝对值计算结果要小21.7%～162.2%。

2)通过上述分析可知，一次性加载方式下边支座梁端负弯矩绝对值普遍大于模拟施工过程加载方式的计算结果，尤其随着层数的提升，这种规律愈发明显。

3.2 中跨梁弯矩比较

对两种加载方式下中跨梁端弯矩进行对比，比较结果见图2(图2a)为中跨梁左端弯矩比较，图2b)为中跨梁右端弯矩比较)。

受力性能分析如下：1)相较于模拟施工过程加载方法来说，一次性加载方法下的中间支座梁左端弯矩绝对值的计算结果要小3.2%～96.9%，中间支座梁右端弯矩值绝对值计算结果要大2.9%～14.2%。2)由上述分析可知，一般来说，相较于模拟施工过程加载方式计算结果，一次性加载方式下中间支座梁端负弯矩绝对值计算要小，越趋近于顶层，这种规律越明显。

受力分析结论如下：1)对于模拟施工过程加载方式来说，各楼层内力的计算一般以本层及上层荷载加载为基础进行计算，这种计算方式与实际施工过程相符合，因此计算结构更符合实际情况，较为科学。2)相较于模拟施工过程加载方式来说，一次性加载方式的边界条件与实际情况不符，同时一次性加载方式没有对施工过程中的施工平差进行考虑，从而使得此方法存在不符合客观实际的问题。在一次性加载方式计算方法中，一个楼层的荷载会影响其他楼层内力。第j层荷载在第i层的位移差用Δδij(i=1，…，n；j=1，…，n)来表示，一次性加载方式下第i层竖向变形差用Δδi来表示，则可以得出以下公式：

而对于模拟施工过程加载方式来说，其在计算的过程中对施工平差进行了考虑，其第i层竖向变形差Δδi的计算公式如下：

因为i≥1，因此，第一个公式很明显要大于第二个公式，且随着层数的提升，i值逐渐增大，二者之间的差值也越大。此外，上文中提到，高层建筑属于多次超静定结构，主要利用连接竖向构件的水平构件来对竖向变形差进行受力协调，即在水平构件上附加剪力，实现荷载传递，传递方向为：大变形构件→小变形构件，同时会有附加内力的产生，而上文中分析提到，一次性加载方式产生的竖向位移差更大一些，因此，在协调竖向变形差时产生的附

加内力也更大[3]。

对于本工程来说，相较于边柱，中柱的竖向变形更大，这就会出现中柱下沉而边柱上顶的情况，在边支座，附加梁弯矩表现为上表面受拉，在内支座，附加梁弯矩表现为下表面受拉。因此，在模拟施工过程加载方式下，其边支座弯矩小于一次性加载方式计算结果，内支座弯矩大于一次性加载方式计算结果。对于高层建筑来说，受到施工平差的影响，在一次性加载方式下中间支座弯矩可能表现为下表面受拉，这不符合实际情况[4]。综上来看，在计算高层建筑结构竖向荷载效应的过程中，应当对施工过程产生的影响进行考虑，即采用模拟施工过程加载方式。

4 两种加载方式误差分析

4.1 建模误差

通过上述模拟计算分析可知，在利用SAP2000程序进行模拟施工过程加载计算的过程中，模型假设与实际受力有着一定的差异性，虽然这种加载方式计算方法有着一定的合理性，但与实际结构受力的差异仍会产生计算误差，需要进行误差验证[5]。此外，在加载计算的过程中，将每次加载看作为独立的计算模型，之后进行叠加，这种计算方式的计算假设与实际结构也有着一定的区别，从而产生误差，因此，需要在叠加的过程中修正计算的内力值，保证计算结果的精确性。

4.2 荷载取值误差

本算例采用模拟施工过程的加载方式，除了本文提到的两弯矩模拟计算外，还需要对剪力墙内力、柱轴力其他力进行模拟，这就需要丰富的资料，但受限于现场实测少、资料不足，往往使得模拟过程中缺乏数据支持，荷载取值方面可能会存在误差。

5 结语

通过仿真分析和模拟计算表明，高层建筑结构受力会受到实际施工情况的影响，因此在计算高层建筑结构竖向荷载效应的过程中，需要对施工过程产生的影响积极考虑。但需要注意的是，模拟施工过程加载方式虽然有着一定的合理性，但在计算的过程中也会产生一定误差，需要采取有效措施来降低误差影响，保证高层建筑结构受力计算的精确性。

[1] 陈 波.高层建筑结构考虑施工过程的受力性能研究[D].西安：西安建筑科技大学,2010.

[2] 郑 江.复杂刚性钢结构施工过程力学模拟及计算方法研究[D].西安：西安建筑科技大学,2011.

[3] 王飘飘,李永涛.高层建筑结构考虑施工过程的受力性能研究[J].科技与企业,2012(4):144.

[4] 王晓燕.考虑施工过程收缩徐变对高层建筑结构影响的试验与理论研究[D].南宁：广西大学,2003.

[5] 鞠开林.超高层外框—核心筒混合结构施工监控与动力特性分析[D].长沙：湖南大学,2014.

On stressed performance in construction of high-rise architectural structures

Chen Xuyuan

(SchoolofArchitecturalEngineering,JiangsuCollegeofEngineeringandTechnology,Nantong226300,China)

Taking some high-rise office building as the example, the paper undertakes the simulation analysis of the stressed performance of the lower beam bending moment under two loading approaches by establishing models, explores the errors caused by the two loading approaches, and points out the influence role of the stressed performance of the beams should be considered in the construction and points out effective measures should be taken to lower errors and promote the accuracy of the calculation results.

high-rise building, stressed performance, bending moment, loading approach

1009-6825(2016)32-0062-02

2016-09-03

陈旭元(1974- )，男，硕士，讲师

TU973

A