1前言
框架、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)是民用建筑中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式。工程師在設(shè)計(jì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)時(shí)，通常會(huì)忽略施工過(guò)程的影響，認(rèn)為結(jié)構(gòu)是一次形成，采用一次加載的模式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際的結(jié)構(gòu)卻是逐層形成，逐層加載的。因此計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)體系之間存在差異，這種差異對(duì)中低層結(jié)構(gòu)的影響是可以忽略的，但隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)和高度的增加，施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響會(huì)逐漸加大，在很多已建多高層框架結(jié)構(gòu)建筑中，出現(xiàn)了諸如開(kāi)裂、大位移等對(duì)結(jié)構(gòu)不利的情況。因此，研究施工過(guò)程對(duì)多高層框架的影響是必要的。
考慮施工過(guò)程的影響分析框架時(shí)可按平面結(jié)構(gòu)計(jì)算，其方法一般有兩種：一是結(jié)構(gòu)各部分的剛度和荷載都要根據(jù)具體的施工過(guò)程逐層形成，逐層疊加形成總剛度陣和荷載陣分別進(jìn)行計(jì)算：二是將總剛度陣一次形成，只需根據(jù)施工過(guò)程來(lái)修正荷載項(xiàng)進(jìn)行各階段的計(jì)算即可，該方法所用計(jì)算時(shí)間比第一種少，它已經(jīng)應(yīng)用于高層建筑空間分析程序TBSA中。但在實(shí)際分層加載時(shí)，下層荷載并不會(huì)在上層結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力，而在第二種方法中，分層加載總是在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系上進(jìn)行的，在下層施加的荷載也會(huì)對(duì)上層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。此外，第一種方法多花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間已經(jīng)隨著現(xiàn)代電腦技術(shù)的發(fā)展不再成為困擾工程師的問(wèn)題。因此，本文選用第一種方法來(lái)準(zhǔn)確的考慮施工過(guò)程對(duì)多高層框架結(jié)構(gòu)的影響。
2考慮施工過(guò)程的桿系結(jié)構(gòu)的有限元法
考慮施工過(guò)程對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響必須使用增量方法求解?，F(xiàn)將施工起算時(shí)間t0與欲求時(shí)間tn之間劃分為n個(gè)較細(xì)的時(shí)間段，中間時(shí)刻分別用t1，t2……ti-1，ti……tn表示，采用增量過(guò)程逐時(shí)段求解，最終疊加求出最終時(shí)刻的結(jié)果?，F(xiàn)任取一個(gè)時(shí)段（ti-1-ti）進(jìn)行分析，假定結(jié)構(gòu)體系和荷載的變化僅發(fā)生在ti-1時(shí)刻，時(shí)段中則保持結(jié)構(gòu)體系和荷載不變。如果ti-1時(shí)刻以前結(jié)構(gòu)上共有m個(gè)單元，在ti-1時(shí)刻更新荷載p個(gè)，則考慮施工過(guò)程的桿系結(jié)構(gòu)增量分析的整體剛度方程上述的有限元公式，用FORTRAN編制了一個(gè)考慮施工過(guò)程的多高層框架結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算程序。為真實(shí)的模擬實(shí)際的施工過(guò)程。該程序考慮了以下幾種施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的情況：（1）任意時(shí)刻在結(jié)構(gòu)的任意位置增加新的構(gòu)件：（2]任意時(shí)刻在結(jié)構(gòu)的任意位置施加或卸除外荷載；（3）在任意時(shí)刻增加或拆除支承；（4）在任意時(shí)刻增加或解除節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)問(wèn)的主從關(guān)系；（5）能夠給出結(jié)構(gòu)在任意時(shí)刻的位移和內(nèi)力。3算倒分析
一榀兩跨12層框架。四層以下柱截面為700×700mm2，十層以上柱截面為500×500mm2，其余柱截面600×600mm，框架梁截面為250×700mm.所示為外荷載中不包含框架梁柱自重且只適用于一次加載的計(jì)算，在全過(guò)程分析時(shí)，則要根據(jù)荷載的施加時(shí)間的分別考慮結(jié)構(gòu)各部分荷載作用，每層養(yǎng)護(hù)10天：填充墻、抹灰、吊頂與地面自頂層向下施工，每10天完成一層。僅考慮結(jié)構(gòu)豎向荷載的作用。
利用前面所述的有限元程序?qū)υ撍憷M(jìn)行如下兩種情況的計(jì)算：（1）不考慮施工過(guò)程的彈性分析；（2）考慮施工過(guò)程的彈性分析，以進(jìn)行對(duì)比分析。
可以看出，所示的框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)豎向位移時(shí)主要變形。彈性分析不考慮施工過(guò)程時(shí)節(jié)點(diǎn)豎向位移會(huì)偏大，且隨樓層的增高偏大越明顯，最多處（頂層邊節(jié)點(diǎn)）增大了1.26倍，而節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角位移減少了40％左右?？紤]施工過(guò)程時(shí)節(jié)點(diǎn)豎向位移的減小時(shí)由于施工過(guò)程中樓層逐層找平，抵消了節(jié)點(diǎn)的部分豎向位移所致，實(shí)際上最終各層柱的壓縮變形并未減小，而節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的增大時(shí)由于考慮施工過(guò)程時(shí)的結(jié)構(gòu)體系與不考慮施工過(guò)程計(jì)算時(shí)的結(jié)構(gòu)體系不同所致。
從中可以看出，施工過(guò)程對(duì)桿端彎矩的影響較大。如考慮施工過(guò)程的影響，邊柱的柱兩端彎矩在底層大大增長(zhǎng)，變化的幅度可超過(guò)50％，其他各層的底端彎矩減少了近一半，頂端彎矩在除頂層節(jié)點(diǎn)處減少外均增大，幅度可達(dá)35％。梁端彎矩在頂部幾層變化較明顯，表現(xiàn)為：邊支座負(fù)彎矩減小，中支座負(fù)彎矩增大，最多處變化25％。這是由于考慮施工過(guò)程時(shí)，結(jié)構(gòu)體系在不斷變化，施加的荷載所造成的節(jié)點(diǎn)彎矩只在當(dāng)前結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件中進(jìn)行分配所致。
3結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上分析可知，計(jì)算豎向荷載作用下的多高層框架時(shí)，不考慮施工過(guò)程的影響變形偏于保守，而考慮施工過(guò)程后底層邊柱的柱兩端彎矩、其余各層邊柱的頂端彎矩及梁的中支座負(fù)彎矩將會(huì)增大，但由表可以看出柱仍以承壓為主。另外考慮到設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)梁的中支座負(fù)彎矩一般要進(jìn)行10％～20％的塑性調(diào)幅。因此，一次成形、一次加載的計(jì)算方法仍是簡(jiǎn)單可用的，但建議對(duì)該方法計(jì)算得到的柱的偏心彎矩放大30％～40％，并且要控制頂部幾層梁支座負(fù)彎矩的調(diào)幅程度。本文得到的考慮施工過(guò)程影響的計(jì)算理論已應(yīng)用在湖南省中醫(yī)藥研究院醫(yī)教綜合樓工程中并得到良好的效果。
框架、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)是民用建筑中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式。工程師在設(shè)計(jì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)時(shí)，通常會(huì)忽略施工過(guò)程的影響，認(rèn)為結(jié)構(gòu)是一次形成，采用一次加載的模式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際的結(jié)構(gòu)卻是逐層形成，逐層加載的。因此計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)體系之間存在差異，這種差異對(duì)中低層結(jié)構(gòu)的影響是可以忽略的，但隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)和高度的增加，施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響會(huì)逐漸加大，在很多已建多高層框架結(jié)構(gòu)建筑中，出現(xiàn)了諸如開(kāi)裂、大位移等對(duì)結(jié)構(gòu)不利的情況。因此，研究施工過(guò)程對(duì)多高層框架的影響是必要的。
考慮施工過(guò)程的影響分析框架時(shí)可按平面結(jié)構(gòu)計(jì)算，其方法一般有兩種：一是結(jié)構(gòu)各部分的剛度和荷載都要根據(jù)具體的施工過(guò)程逐層形成，逐層疊加形成總剛度陣和荷載陣分別進(jìn)行計(jì)算：二是將總剛度陣一次形成，只需根據(jù)施工過(guò)程來(lái)修正荷載項(xiàng)進(jìn)行各階段的計(jì)算即可，該方法所用計(jì)算時(shí)間比第一種少，它已經(jīng)應(yīng)用于高層建筑空間分析程序TBSA中。但在實(shí)際分層加載時(shí)，下層荷載并不會(huì)在上層結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力，而在第二種方法中，分層加載總是在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系上進(jìn)行的，在下層施加的荷載也會(huì)對(duì)上層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。此外，第一種方法多花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間已經(jīng)隨著現(xiàn)代電腦技術(shù)的發(fā)展不再成為困擾工程師的問(wèn)題。因此，本文選用第一種方法來(lái)準(zhǔn)確的考慮施工過(guò)程對(duì)多高層框架結(jié)構(gòu)的影響。
2考慮施工過(guò)程的桿系結(jié)構(gòu)的有限元法
考慮施工過(guò)程對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響必須使用增量方法求解?，F(xiàn)將施工起算時(shí)間t0與欲求時(shí)間tn之間劃分為n個(gè)較細(xì)的時(shí)間段，中間時(shí)刻分別用t1，t2……ti-1，ti……tn表示，采用增量過(guò)程逐時(shí)段求解，最終疊加求出最終時(shí)刻的結(jié)果?，F(xiàn)任取一個(gè)時(shí)段（ti-1-ti）進(jìn)行分析，假定結(jié)構(gòu)體系和荷載的變化僅發(fā)生在ti-1時(shí)刻，時(shí)段中則保持結(jié)構(gòu)體系和荷載不變。如果ti-1時(shí)刻以前結(jié)構(gòu)上共有m個(gè)單元，在ti-1時(shí)刻更新荷載p個(gè)，則考慮施工過(guò)程的桿系結(jié)構(gòu)增量分析的整體剛度方程上述的有限元公式，用FORTRAN編制了一個(gè)考慮施工過(guò)程的多高層框架結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算程序。為真實(shí)的模擬實(shí)際的施工過(guò)程。該程序考慮了以下幾種施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的情況：（1）任意時(shí)刻在結(jié)構(gòu)的任意位置增加新的構(gòu)件：（2]任意時(shí)刻在結(jié)構(gòu)的任意位置施加或卸除外荷載；（3）在任意時(shí)刻增加或拆除支承；（4）在任意時(shí)刻增加或解除節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)問(wèn)的主從關(guān)系；（5）能夠給出結(jié)構(gòu)在任意時(shí)刻的位移和內(nèi)力。3算倒分析
一榀兩跨12層框架。四層以下柱截面為700×700mm2，十層以上柱截面為500×500mm2，其余柱截面600×600mm，框架梁截面為250×700mm.所示為外荷載中不包含框架梁柱自重且只適用于一次加載的計(jì)算，在全過(guò)程分析時(shí)，則要根據(jù)荷載的施加時(shí)間的分別考慮結(jié)構(gòu)各部分荷載作用，每層養(yǎng)護(hù)10天：填充墻、抹灰、吊頂與地面自頂層向下施工，每10天完成一層。僅考慮結(jié)構(gòu)豎向荷載的作用。
利用前面所述的有限元程序?qū)υ撍憷M(jìn)行如下兩種情況的計(jì)算：（1）不考慮施工過(guò)程的彈性分析；（2）考慮施工過(guò)程的彈性分析，以進(jìn)行對(duì)比分析。
可以看出，所示的框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，結(jié)構(gòu)豎向位移時(shí)主要變形。彈性分析不考慮施工過(guò)程時(shí)節(jié)點(diǎn)豎向位移會(huì)偏大，且隨樓層的增高偏大越明顯，最多處（頂層邊節(jié)點(diǎn)）增大了1.26倍，而節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角位移減少了40％左右?？紤]施工過(guò)程時(shí)節(jié)點(diǎn)豎向位移的減小時(shí)由于施工過(guò)程中樓層逐層找平，抵消了節(jié)點(diǎn)的部分豎向位移所致，實(shí)際上最終各層柱的壓縮變形并未減小，而節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的增大時(shí)由于考慮施工過(guò)程時(shí)的結(jié)構(gòu)體系與不考慮施工過(guò)程計(jì)算時(shí)的結(jié)構(gòu)體系不同所致。
從中可以看出，施工過(guò)程對(duì)桿端彎矩的影響較大。如考慮施工過(guò)程的影響，邊柱的柱兩端彎矩在底層大大增長(zhǎng)，變化的幅度可超過(guò)50％，其他各層的底端彎矩減少了近一半，頂端彎矩在除頂層節(jié)點(diǎn)處減少外均增大，幅度可達(dá)35％。梁端彎矩在頂部幾層變化較明顯，表現(xiàn)為：邊支座負(fù)彎矩減小，中支座負(fù)彎矩增大，最多處變化25％。這是由于考慮施工過(guò)程時(shí)，結(jié)構(gòu)體系在不斷變化，施加的荷載所造成的節(jié)點(diǎn)彎矩只在當(dāng)前結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件中進(jìn)行分配所致。
3結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上分析可知，計(jì)算豎向荷載作用下的多高層框架時(shí)，不考慮施工過(guò)程的影響變形偏于保守，而考慮施工過(guò)程后底層邊柱的柱兩端彎矩、其余各層邊柱的頂端彎矩及梁的中支座負(fù)彎矩將會(huì)增大，但由表可以看出柱仍以承壓為主。另外考慮到設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)梁的中支座負(fù)彎矩一般要進(jìn)行10％～20％的塑性調(diào)幅。因此，一次成形、一次加載的計(jì)算方法仍是簡(jiǎn)單可用的，但建議對(duì)該方法計(jì)算得到的柱的偏心彎矩放大30％～40％，并且要控制頂部幾層梁支座負(fù)彎矩的調(diào)幅程度。本文得到的考慮施工過(guò)程影響的計(jì)算理論已應(yīng)用在湖南省中醫(yī)藥研究院醫(yī)教綜合樓工程中并得到良好的效果。