林 偉，胡漢敏

(福州外語(yǔ)外貿(mào)學(xué)院 理工學(xué)院，福州 350202)

裝配式建筑施工的關(guān)鍵是完成裝配構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)安裝.在鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、施工荷載等隨著施工周期不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)施工各階段的邊界條件、剛度、荷載與結(jié)構(gòu)一次成型時(shí)區(qū)別較大，從而造成裝配式構(gòu)件產(chǎn)生的位移和應(yīng)力也有很大差別[1].如果在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮施工豎向位移預(yù)調(diào)值，會(huì)造成裝配式構(gòu)件無(wú)法安裝.因此，在工程實(shí)踐中采用有限元軟件準(zhǔn)確地計(jì)算出鋼結(jié)構(gòu)施工階段中每層結(jié)構(gòu)的豎向位移，顯得尤為重要.

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，以竣工后的結(jié)構(gòu)整體作為分析對(duì)象，采用一次性建模，荷載一次性加載，未考慮建筑結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中剛度的變化和材料時(shí)間效應(yīng)的影響[2].而實(shí)際上，在整個(gè)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)剛度、幾何參數(shù)、施工荷載及邊界條件都隨施工進(jìn)程的開展而時(shí)刻發(fā)生變化，僅按傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向變形分析，不能反映施工的真實(shí)情況[3].因此，需結(jié)合不同的施工模擬方法，對(duì)建筑施工過(guò)程中產(chǎn)生的豎向變形規(guī)律進(jìn)行研究，從而保證鋼結(jié)構(gòu)裝配式構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的安裝.

本文運(yùn)用MIDAS Gen軟件，結(jié)合某30層裝配式鋼框架高層結(jié)構(gòu)，采用一次性加載、偽施工模擬及分層加載施工模擬方法，分析鋼框架結(jié)構(gòu)在不同施工模擬方法下施工階段的豎向變形規(guī)律，得到裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工模擬的一種正確計(jì)算方法，給類似工程提供參考.

1 施工模擬方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合具體的工程實(shí)例，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)施工時(shí)的豎向變形影響，產(chǎn)生了許多不同的施工模擬計(jì)算方法[4-8]，總體上可以歸納為一次加載施工、偽施工及分層加載施工模擬3大類.

1.1 一次加載施工模擬

該分析方法是以竣工后的結(jié)構(gòu)整體作為分析對(duì)象，結(jié)構(gòu)一次性建模，并將結(jié)構(gòu)受到的自重、施工活荷載、正常使用階段活荷載、風(fēng)荷載及地震荷載等一次性加到結(jié)構(gòu)上，對(duì)其正常使用階段及承載力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析.由于該分析方法沒(méi)有考慮剪力墻、內(nèi)外柱等豎向構(gòu)件在施工過(guò)程中按順序分層施工加載產(chǎn)生的豎向變形影響，導(dǎo)致軟件計(jì)算出的結(jié)構(gòu)變形與實(shí)際施工產(chǎn)生的變形明顯不符.

1.2 偽施工模擬

如圖1所示，在施工模擬計(jì)算時(shí)，先將結(jié)構(gòu)形成整體，然后對(duì)結(jié)構(gòu)分層施加荷載.國(guó)內(nèi)一些有影響的軟件，例如PMSAP，采用了該計(jì)算模型[9].利用該方法計(jì)算出的結(jié)構(gòu)總體位移及內(nèi)力為各層位移及內(nèi)力的疊加.在進(jìn)行疊加計(jì)算時(shí)，第i層的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移只受本層荷載及本層以上各層的荷載影響，忽略了建筑分層施工過(guò)程產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)剛度變化，所以利用該計(jì)算方法難以解釋結(jié)構(gòu)內(nèi)力與外載的平衡關(guān)系.

1.3 分層加載施工模擬

鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際施工過(guò)程中是逐層裝配的，結(jié)構(gòu)的施工荷載也是隨著施工進(jìn)程自底層逐層向頂層產(chǎn)生的.假如某棟建筑框架結(jié)構(gòu)有n層，將其施工荷載效應(yīng)等效為n個(gè)子建筑結(jié)構(gòu)施工荷載效應(yīng)的疊加，子建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)從1層逐層增加到n層，每個(gè)子建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)只承受本層相應(yīng)的施工荷載[10]，計(jì)算模型如圖2所示.第i層完工時(shí)的位移與荷載的關(guān)系為

其中，[Ki]為建筑底層至第i層結(jié)構(gòu)剛度矩陣；[Fi]為第i層結(jié)構(gòu)恒載及施加在第i層上的施工荷載矩陣；[δi]為建筑底層至第i層的結(jié)構(gòu)位移向量矩陣；i為建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算層.

該計(jì)算模型假定，在子建筑結(jié)構(gòu)中計(jì)算層以下的樓層荷載對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)無(wú)荷載作用，即下層結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)只傳遞結(jié)構(gòu)剛度不傳遞荷載效應(yīng)，因此柱子及斜撐的豎向變形偏差不會(huì)逐層累積.隨著計(jì)算樓層不斷激活，建筑結(jié)構(gòu)的剛度隨之發(fā)生變化，每次計(jì)算只激活樓面1層荷載，當(dāng)子建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算完成時(shí)，整體建筑結(jié)構(gòu)最后的位移及內(nèi)力可等效為每個(gè)子建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算的位移及內(nèi)力和的疊加[11].

在此計(jì)算模型基礎(chǔ)上衍生出另一種分層加載施工模型，如圖3所示.該模型的分析計(jì)算方向由頂層到底層，計(jì)算公式為

圖3 從頂層至底層分層加載施工模擬方法

其中，[Ki]及[δi]與式(1)含義一致；[Qi]為第i層結(jié)構(gòu)恒載及施加在第i層上的施工荷載，以及上層結(jié)構(gòu)傳遞到本層的荷載效應(yīng)(即將前次子建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的柱底彎矩及剪力作為外部施加荷載作用到第i層上).在計(jì)算時(shí)，同樣將第i層以下各層視為只傳遞結(jié)構(gòu)剛度而不傳遞荷載效應(yīng).與圖2所述模擬方法相比，該模擬方法每次計(jì)算得到1層結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力，即為該樓層的真實(shí)位移及內(nèi)力，不需要疊加.通過(guò)簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換可以證明該方法與圖2所述的方法是等價(jià)的.

圖2 從底層至頂層分層加載施工模擬方法

2 工程概況

本文以某30層裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)為工程背景，利用MIDAS Gen有限元軟件分別以一次性加載、偽施工模擬及分層加載施工模擬方法，對(duì)其施工階段的豎向變形規(guī)律進(jìn)行研究.該計(jì)算模型結(jié)構(gòu)高度為90 m，主體結(jié)構(gòu)由若干核心筒組合而成，周邊框架柱以3.9 m間距均勻排列，結(jié)構(gòu)層高為3.0 m.框架柱、主梁及次梁均采用箱形斷面，斜支撐采用槽鋼，各構(gòu)件截面尺寸見(jiàn)表1.上部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用Q345B，樓板及下部基礎(chǔ)采用C30混凝土.根據(jù)荷載規(guī)范[12]及工程設(shè)計(jì)圖紙可知，樓板裝修荷載標(biāo)準(zhǔn)取值為1.3 kN/m2，施工恒載取值為2 kN/m2，施工活荷載按規(guī)范活荷載一半取值，即1 kN/m2.裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖4～圖5.柱子位置的不同對(duì)施工階段結(jié)構(gòu)豎向變形影響略有差別.按柱子所在位置的不同，可將其分成角鋼柱、邊鋼柱和中鋼柱3種.邊鋼柱及中鋼柱按受力及位置的不同，將其編號(hào)為邊鋼柱a～c、中鋼柱a～c，各類型鋼柱在建筑結(jié)構(gòu)平面的位置及編號(hào)見(jiàn)圖6.

圖4 鋼框架立面示意及計(jì)算模型

圖5 鋼框架單層布置

圖6 各種類型鋼柱平面布置及編號(hào)

表1 構(gòu)件截面尺寸 mm×mm×mm

3 不同施工模擬方法計(jì)算數(shù)值對(duì)比

裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)在一次性加載、偽施工模擬及分層加載施工模擬方法下，各種類型鋼柱不同樓層的豎向變形曲線見(jiàn)圖7～圖9.

圖7 角柱豎向變形曲線

圖8 邊柱豎向變形曲線

圖9 中柱豎向變形曲線

由圖7～圖9可知，各類型鋼柱采用一次性加載及偽施工模擬方法計(jì)算出的結(jié)構(gòu)最大豎向變形均出現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)樓面頂層，而采用分層加載施工模擬方法計(jì)算的各類型鋼柱，最大豎向變形位于建筑結(jié)構(gòu)中間段樓層，即16號(hào)樓層.各類型鋼柱在不同施工模擬方法下最大豎向位移見(jiàn)表2.

表2 各種類型鋼柱在不同施工模擬方法下最大豎向位移

從表2可知，偽施工模擬相比一次性加載，計(jì)算的每層節(jié)點(diǎn)位移均偏大，說(shuō)明分層施加荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)會(huì)影響結(jié)構(gòu)位移變化，且內(nèi)柱豎向變形較外柱大，這也說(shuō)明施工模擬分析時(shí)要多加關(guān)注內(nèi)部柱子的變形；同時(shí)，因一次性加載及偽施工模擬方法無(wú)法考慮結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中豎向構(gòu)件剛度變化造成的標(biāo)高調(diào)整的影響，其計(jì)算的結(jié)果與分層加載施工模擬計(jì)算的豎向位移差異較大.通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，采用一次加載及偽施工模擬計(jì)算的位移和真實(shí)結(jié)構(gòu)位移有較大的出入，而鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際施工過(guò)程中是逐層裝配的，因此對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工模擬豎向位移采用分層加載施工模擬方法更可靠.

4 結(jié)論

1)采用一次性加載及偽施工模擬計(jì)算的各種類型鋼柱最大豎向變形，均出現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)樓面頂層，與建筑實(shí)際施工變形情況不符.

2)分層加載施工模擬計(jì)算出的各種類型鋼柱的最大豎向變形位于建筑結(jié)構(gòu)中間段樓層，較符合實(shí)際.

3)對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工模擬時(shí)，需考慮結(jié)構(gòu)分層加載對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形的影響.