多高层框架考虑施工程的分析
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作者: 杨 柳
摘要：分析框架结构通常采用的结构一次成型、一次加载的计算模型并不符合结构的实际形成和承载方式，而且这种差异对内力和变形的影响有随结构层数的增加而加大的趋势。本文利用结构分析的增量有限元方法，研究了施工过程对多高层框架的影响，并对一算例进行了分析。结果表明，设计人员应当考虑施工过程对多高层框架的影响。
关键词：施工过程；框架；有限元
中图分类号：TU323．5
文献标识码：B
文章编号：1008－0422(2007)07－0084－03
1前言
框架、框架一剪力墙结构是民用建筑中常见的结构形式。工程师在设计此类结构时，通常会忽略施工过程的影响，认为结构是一次形成，采用一次加载的模式来进行计算，而实际的结构却是逐层形成，逐层加载的。因此计算模型与实际结构体系之间存在差异，这种差异对中低层结构的影响是可以忽略的，但随着结构层数和高度的增加，施工过程对结构内力和变形的影响会逐渐加大，在很多已建多高层框架结构建筑中，出现了诸如开裂、大位移等对结构不利的情况。因此，研究施工过程对多高层框架的影响是必要的。
考虑施工过程的影响分析框架时可按平面结构计算，其方法一般有两种：一是结构各部分的刚度和荷载都要根据具体的施工过程逐层形成，逐层叠加形成总刚度阵和荷载阵分别进行计算：二是将总刚度阵一次形成，只需根据施工过程来修正荷载项进行各阶段的计算即可，该方法所用计算时间比第一种少，它已经应用于高层建筑空间分析程序TBSA中。但在实际分层加载时，下层荷载并不会在上层结构中产生内力，而在第二种方法中，分层加载总是在整个结构体系上进行的，在下层施加的荷载也会对上层结构产生影响。此外，第一种方法多花费的计算时间已经随着现代电脑技术的发展不再成为困扰工程师的问题。因此，本文选用第一种方法来准确的考虑施工过程对多高层框架结构的影响。
2考虑施工过程的杆系结构的有限元法
考虑施工过程对框架结构的影响必须使用增量方法求解。现将施工起算时间t0与欲求时间tn之间划分为n个较细的时间段，中间时刻分别用t1，t2……ti-1，ti……tn表示，采用增量过程逐时段求解，最终叠加求出最终时刻的结果。现任取一个时段(ti-1-ti)进行分析，假定结构体系和荷载的变化仅发生在ti-1时刻，时段中则保持结构体系和荷载不变。如果ti-1时刻以前结构上共有m个单元，在ti-1时刻更新荷载p个，则考虑施工过程的杆系结构增量分析的整体刚度方程上述的有限元公式，用FORTRAN编制了一个考虑施工过程的多高层框架结构分析的计算程序。为真实的模拟实际的施工过程。该程序考虑了以下几种施工过程中可能出现的情况：(1)任意时刻在结构的任意位置增加新的构件：(2]任意时刻在结构的任意位置施加或卸除外荷载；(3)在任意时刻增加或拆除支承；(4)在任意时刻增加或解除节点节点问的主从关系；(5)能够给出结构在任意时刻的位移和内力。
3算倒分析
一榀两跨12层框架。四层以下柱截面为700×700mm2，十层以上柱截面为500×500mm2，其余柱截面600×600mm，框架梁截面为250×700mm。所示为外荷载中不包含框架梁柱自重且只适用于一次加载的计算，在全过程分析时，则要根据荷载的施加时间的分别考虑结构各部分荷载作用，每层养护10天：填充墙、抹灰、吊顶与地面自顶层向下施工，每10天完成一层。仅考虑结构竖向荷载的作用。
利用前面所述的有限元程序对该算例进行如下两种情况的计算：(1)不考虑施工过程的弹性分析；(2)考虑施工过程的弹性分析，以进行对比分析。
可以看出，所示的框架结构在竖向荷载作用下，结构竖向位移时主要变形。弹性分析不考虑施工过程时节点竖向位移会偏大，且随楼层的增高偏大越明显，最多处(顶层边节点)增大了1.26倍，而节点转角位移减少了40％左右。考虑施工过程时节点竖向位移的减小时由于施工过程中楼层逐层找平，抵消了节点的部分竖向位移所致，实际上最终各层柱的压缩变形并未减小，而节点转角的增大时由于考虑施工过程时的结构体系与不考虑施工过程计算时的结构体系不同所致。
从中可以看出，施工过程对杆端弯矩的影响较大。如考虑施工过程的影响，边柱的柱两端弯矩在底层大大增长，变化的幅度可超过50％，其他各层的底端弯矩减少了近一半，顶端弯矩在除顶层节点处减少外均增大，幅度最大可达35％。梁端弯矩在顶部几层变化较明显，表现为：边支座负弯矩减小，中支座负弯矩增大，最多处变化25％。这是由于考虑施工过程时，结构体系在不断变化，施加的荷载所造成的节点弯矩只在当前结构体系的构件中进行分配所致。
4结语
通过以上分析可知，计算竖向荷载作用下的多高层框架时，不考虑施工过程的影响变形偏于保守，而考虑施工过程后底层边柱的柱两端弯矩、其余各层边柱的顶端弯矩及梁的中支座负弯矩将会增大，但由表可以看出柱仍以承压为主。另外考虑到设计时对梁的中支座负弯矩一般要进行10％～20％的塑性调幅。因此，一次成形、一次加载的计算方法仍是简单可用的，但建议对该方法计算得到的柱的偏心弯矩放大30％～40％，并且要控制顶部几层梁支座负弯矩的调幅程度。本文得到的考虑施工过程影响的计算理论已应用在湖南省中医药研究院医教综合楼工程中并得到良好的效果。
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