PKPM 软件中模拟施工的原理及应注意的问题

14 PKPM 软件中模拟施工的原理及应注意的问题

赵 兵

(中国建筑科学研究院结构所 北京 100013)

旧版SATWE 软件给出了三种模拟施工的计算方法,即一次性加载、施工模拟1和施工模拟2。随着计算机技术的发展,PKPM 开发出能更精确模拟施工的施工模拟3来满足工程设计的需要。下面结合工程实例,讨论这4种计算方法的区别与联系。 1 四种计算方法的基本原理[1]

1.1 一次性加载

这种计算方法先假定结构已经完成,然后将荷载一次性加载到工程中。由于结构各点的变形完全协调,因此产生的弯矩在各点都能保持平衡。但实际工程中恒载在施工过程中是逐步施加的,该模型过高估计了竖向构件轴向变形影响,容易导致有的构件内力结果与实际受力状态相差较大。对于某些结构,如框筒结构,因框架和剪力墙核心筒的刚度相差悬殊,剪力墙核心筒较框架而言承担了较大的竖向荷载,从而使二者产生较大的竖向位移差。这种沉降差异使框架柱产生拉力,如果该拉力大于框架柱所分担的竖向荷载,就会形成拉柱,或和柱连接的梁端没有负弯矩,给设计造成困难。

目前工程界已经较少采用一次性加载方式进行结构设计,一般都采用模拟施工方法。但也有资料提出[2],建筑物开始使用后,竖向荷载全部加上且长期作用,由于柱子轴压比大,其徐变变形显著大于剪力墙的徐变变形,内力重新调整,又趋向于一次性加载的计算结果。

1.2 模拟施工1

实际工程施工一般是先支本层模板,再进行钢筋绑扎和浇筑混凝土,待混凝土达到规定的强度要求后,拆除本层模板(相当于本层结构上全部荷载加到已建结构上),然后按此顺序逐层施工。这样竖向恒载是一层一层作用的,并在施工中逐层找平,下层的变形对上层基本上不产生影响,也不影响上面各层。结构的竖向变形在建造到上部时已经完成得差不多了,因此不一定会产生如此大的沉降差异。

结构在竖向荷载作用下的变形形成过程见图1。

图中,∑==n

i i 1

11

δδ,∑==n

i i 2

22δδ,......,nn n δδ=。

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图1 在竖向荷载作用下结构变形示意图

在旧版SATWE 软件中,由于受计算机效率的限制,按照如图1所示的方法进行结构分析会造成计算量太大。为了提高计算效率,假定在某一层加载时,该层及以下各层的变形受其上各层刚度的影响,引入这一假定后,程序按如图2所示方式模拟施工加载过程。

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图2 在竖向荷载作用下结构变形近似示意图

在线弹性计算中,图3与图2是等价的,程序按照图3进行模拟施工1的计算。通过图3可见,模拟施工1实际上也是先假定结构已经存在,只不过荷载采用分层加载的方式,它具有整体结构下一次性加载模型的优点,还反映了图1所示实际工作状态的一方面——本层加载对上部未建结构没有影响。但由于它所采用的结构刚度矩阵由所有构件单刚形成,上部尚未形成的结构过早地进入工作,极易导致下部若干层与实际出入较大[3]

,而且由于分层求解构件内力,最后节点的力矩不平衡,与实际不符。

1.3 模拟施工

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2

图3 模拟施工1的加载计算简图

PKPM 软 件 园 地

模拟施工2是先将竖向构件刚度放大10倍,然后再按模拟施工1进行加载。这样做的主要目的是为了削弱竖向荷载按刚度的重分配,使柱、墙上分得的轴力比较均匀,传给基础的荷载更为合理,使基础设计变得更为容易。模拟施工2并没有严格的理论基础,只能说是一种经验上的处理方式。工程经验不多,一般工程较少采用。

1.4 模拟施工3

新版的SATWE软件在原来的基础上增加了模拟施工3。该方法能够按照如图1所示的方式比较真实地模拟结构竖向荷载的加载过程,即分层计算各层刚度后,再分层施加竖向荷载。

2 工程实例

某框-筒结构,共29层,地下室1层,结构标准层平面见图4。将工程分别采用一次性加载、模拟施工1、模拟施工3进行计算。其层22柱1在标准恒载作用下的内力和位移计算结果见表1。

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图4 结构标准层平面图

由表1可见,三种计算方法所得到的结果存在一

定差异:一次性加载,柱和剪力墙产生的位移差最大,

模拟施工1和3则比较接近。一般而言,对类似的框-

筒结构,一次性加载得到的柱弯矩偏大,轴力偏小。

图5给出了3种计算方法下得到的梁1弯矩图,

可见对于类似的框-筒结构,由于一次性加载下柱和剪

力墙的变形差别最大,使得与柱连接端的梁的负弯矩

偏小,甚至可能出现正弯矩。

由于模拟施工与很多因素有关,对于其他结构形

式或施工方式,以上结论不能一概而论。

标准恒载作用下层22柱1的计算结果表1

M

(kN·.m)V (kN)

N

(kN)

梁1两端竖向

位移差(mm)

一次性加载129 -63.6 -3811.0 10.59

模拟施工1 75.5 -16.4 -4275.6 4.91

模拟施工3 56.5 12.1 -4424.1 4.87

3 一些特殊情况的考虑

需要指出的是,虽然相对于一次性加载而言,模

拟施工3拥有比较明显的优势,而且在工程实际中,

一次性加载方式应用得也比较少,但并不是说,对于

所有的工程,都适合使用模拟施工3。对于某些工程

的特殊部位,有可能还要采用一次性加载的方式,这

与施工方的施工工艺密切相关。比如多层的长悬臂结

构,悬臂端端点竖向位移的控制是设计人员必须考虑

的问题。如果在结构的悬臂部分施工时,是按照分层

加载、分层找平的方式施工的,则采用模拟施工3的

计算结果就没有问题。但在具体的施工中,对于长悬

臂结构,尤其是悬臂部分有好几层的工程,很多施工

单位都选择的是悬挑脚手架的方法,然后在悬挑的脚

手架上进行悬臂部分的施工,待整体的悬挑结构完成

后再拆除脚手架,此时再采用模拟施工3计算悬臂端

端点的竖向位移就不合适了。这种情况最好采用一次

性加载进行计算,才符合实际情况。例如,某工程共

21层,其中在层17~21出现大范围的悬挑,挑出长

度为9.8m。其结构三维轴侧图见图6。

分别采用模拟施工3和一次性加载计算在竖向恒

载作用下第6958号节点(位于层21的悬挑部位)的

竖向位移,结果如下:模拟施工3为-17.07mm;一次

性加载为-33.6mm。由此可见,模拟施工3和一次性加

载的计算结果差异很大,因此要考虑施工的实际做法。

4 结语

模拟施工是为了正确考虑实际竖向构件轴向变

形的影响,有利于提高结构计算的精度,保证结构设

计的安全。(下转16页)

105.9

288.5

358.6

361.0

144.5

-183.3

-186.8

-629.2

-1093.9

柱1剪力墙

(a)一次性加载(b)模拟施工1 (c)模拟施工3

图5 梁1的弯矩图

15

(上接15页)

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图6 结构三维轴侧图

参考文献

[1]多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件.SATWE用户手册及技术条件.中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部,2005.4.

[2]多层及高层建筑结构空间分析程序.TBSA技术手册. 中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部,1996.

[3]傅学怡.高层建筑结构垂直荷载下的施工模拟计算.深圳大学学报(理工版).2003,20(4):8-13.

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