CN101266631A - 建筑钢结构施工过程温度应力仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑钢结构施工过程温度应力仿真分析方法，属于结构工程技术领域。其特征在于：所述分析方法由以下步骤构成：先划分时间-温度场，选取合拢温度，然后加载温度荷载，对建筑钢结构施工过程中的温度作用进行分析。本发明提出的仿真分析方法曾应用于国家游泳中心("水立方")项目钢结构施工过程的温度作用分析，并得到施工过程中监测数据的验证，取得了很好的效果。所述施工过程温度应力的仿真分析方法特别适用于对钢结构在施工过程中温度作用的影响进行仿真分析。

Description

建筑钢结构施工过程温度应力仿真分析方法

技术领域

本发明涉及一种对建筑钢结构施工过程温度应力进行仿真分析的方法。特别涉及一种对大跨度空间钢结构温度区段合拢(合拢：指施工过程中各施工工作面或预留连接点的连接)的仿真分析及施工过程时间-温度场的加载方法及其对构件初始应力的影响。

背景技术

在建筑结构施工中，由于材料的线膨胀特性，钢结构对外界温度变化比钢筋混凝土结构敏感，施工过程环境温度对合拢产生的影响不可忽略，并且会影响到结构构件的初始应力。但现有的建筑钢结构工程设计和施工规范，均未对施工过程中外界环境温度变化的影响提出计算分析要求。当结构跨度较大时，施工采用预留调节段来解决合拢误差问题。而对于施工过程中，构件单元由于时间-温度场的作用产生初始温度应力，导致构件在竣工状态与施工图设计预设初始状态产生偏差，进而影响构件单元的可靠度，国内外尚无文献介绍，也缺乏相关的仿真分析方法。

发明内容

本发明针对现有钢结构施工中温度应力仿真分析的不足与缺陷，提供了一种有效实用的分析方法。并在国家游泳中心“水立方”项目钢结构施工过程中得到应用与验证。

本发明的的特征在于：所述方法是在计算机中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)，向计算机输入以下参数：

所设定的施工温度分段：

对于高层建筑，按钢柱的运输长度或吊装重量确定；

对于空间结构，把每个连续施工区域作为一个温度区段；

在结构连续施工时，根据施工过程中的各时间跨度所对应的施工区域划定；

所选取的参考基准温度及时间区段：

以当地气象台近10年月平均气温作为参考基准温度；

以月作为时间区段。

所选取的区段合拢温度：

以所述各月参考基准温度作为区段合拢温度，但随不同的季节作相应调整：

夏季比月参考基准温度低2℃-5℃；

春秋季取月参考基准温度的±5℃；

冬季比月参考基准温度高5℃-10℃；

同时设定，每层屋盖中各分组的编号，以及每层屋盖中各结构构件的编号；

又设定，前一温度区段构件的应力和变形作为下一温度区段的初始应力和初始变形，供所述下一温度区段添加新构件时作温度应力分析使用。

步骤(2)，在各个合拢阶段，依次按以下步骤进行建筑钢结构施工工程的温度应力仿真分析：

步骤(2.1)：第一合拢阶段

无分组合拢情况，仅分析第一合拢阶段内各构件组成的集合的温度作用，步骤如下：

步骤(2.1.1)，记录所述集合在施工期间的参考温度，最高气温及最低气温，分别根据最高、最低温度与参考温度之差，计算出所述集合中各结构构件对应的温升和温降；

步骤(2.1.2)，采用SAP2000通用分析软件中的模拟施工的顺序加载模块，对温度作用进行非线性有限元仿真分析，并把得到的应力和变形作为第二合拢阶段的初始状态参数使用；

步骤(2.2)，第二合拢阶段

添加新的结构构件，并按下一步骤进行所述仿真分析：

步骤(2.2.1)，记录合拢时的温度，以此作为参考温度，再记录合拢时的最高和最低温度，分别根据最高温度、最低温度与参考温度之差计算出合拢完毕后新的结构构件集合中各构件的温升和温降；

步骤(2.2.2)，采用所述SAP2000通用分析软件中的模块对温度作用进行非线性有限元仿真分析，并把得到的应力和变形作为下一合拢阶段的初始状态参数使用；

步骤(2.2.3)，重复执行步骤(2.2.2)，直到最终合拢阶段为止。

本发明已在国家游泳中心“水立方”项目钢结构施工过程中得到应用与验证。

附图说明

图1是本发明的典型的时间-温度曲线和区段合拢温度。

图中时间轴以月为单位，左侧为参考基准温度，右侧为计算选取的区段合拢温度。

每一组柱状单元对应一个施工合拢区段。

图2是本发明的典型的温度荷载加载方法。

以国家游泳中心“水立方”的温度作用加载过程为例：图2左侧，由上至下为结构各个合拢阶段，W1……W5，RA，RB分别为结构构件的分组编号，分组的右侧为各施工阶段的区段合拢温度(与图一对应)和此合拢阶段中构件的温升TX1、温降TX2作用的工况定义(温度数值由此时间区段的最高和最低气温确定)。TX0为合拢阶段随工程进度变更时合拢温度变化对应的工况。在分组的构件逐步合拢的过程中，原始构件和新加构件的合拢基准温度、温升、温降都随工程进度不断变化，从而达到全过程的温度应力仿真。

图3是本发明的程序流程图。

具体实施方式

以国家游泳中心“水立方”的温度作用仿真分析为例：

根据工程施工的总体安排，结合结构体系定义合理的施工合拢区段，对每一阶段中的构件进行分组编号如图2中W₁……W₅为墙体划分的分组，R_A，R_B为屋盖划分的分组。

根据工期的安排预测并参考季节因素，定义每一合拢阶段的合拢参考温度，并预测和统计和合拢阶段可能出现的最高和最低气温。如图1及图2温度定义。

各合拢温度作用的加载定义：

如图2中所示，第一合拢阶段为W1-1，W1-2，此两分组构件同时施工，无分组合拢情况，因此仅分析本集合的温度作用。此集合施工期间的参考温度为23℃，最高气温为T₁₂＝43℃，最低气温为T₁₂＝13℃。那么此次集合的结构构件对应已经施加了20℃(43℃-23℃)的温升作用和10℃(23℃-13℃)的温降作用。两个荷载工况独立施加，所以分析后作用的结果可以独立查询。分析结果同时会进入第二阶段。

第二合拢阶段中W2分组构件添加入已施工完毕的W1-1，W1-2集合，在此施工阶段所有构件对应的参考温度会对应变化，因此首先对这个新的集合需要进行参考温度的修正，同时也对原有构件进行了荷载作用的定义，即W1-1，W1-2，W2在合拢时刻的温度为T₂₀＝20℃，合拢完毕后新的构件集合形成的结构刚度，再对此集合进行本时间段的温升T₂₁＝40℃和温降T₂₂＝10℃荷载作用。结果同样可独立查询，并带入下一施工合拢阶段。

依以上规律逐阶段增加结构分组，并定义相应的参考温度和温升、温降直到工程施工完毕，即可全程的跟踪分析结构温度应力。

Claims (2)

1、建筑钢结构施工过程温度应力仿真分析方法，其特征在于：所述方法是在计算机中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)，向计算机输入以下参数：

所设定的施工温度分段：

对于高层建筑，按钢柱的运输长度或吊装重量确定；

对于空间结构，把每个连续施工区域作为一个温度区段；

在结构连续施工时，根据施工过程中的各时间跨度所对应的施工区域划定；

所选取的参考基准温度及时间区段：

以当地气象台近10年月平均气温作为参考基准温度；

以月作为时间区段；

所选取的区段合拢温度：

以所述各月参考基准温度作为区段合拢温度，但随不同的季节作相应调整：

夏季比月参考基准温度低2℃-5℃；

春秋季取月参考基准温度的±5℃；

冬季比月参考基准温度高5℃-10℃；

同时设定，每层屋盖中各分组的编号，以及每层屋盖中各结构构件的编号；

又设定，前一温度区段构件的应力和变形作为下一温度区段的初始应力和初始变形，供所述下一温度区段添加新构件时作温度应力分析使用；

步骤(2)，在各个合拢阶段，依次按以下步骤进行建筑钢结构施工工程的温度应力仿真分析：

步骤(2.1)：第一合拢阶段

无分组合拢情况，仅分析第一合拢阶段内各构件组成的集合的温度作用，步骤如下：

步骤(2.1.1)，记录所述集合在施工期间的参考温度，最高气温及最低气温，分别根据最高、最低温度与参考温度之差，计算出所述集合中各结构构件对应的温升和温降；

步骤(2.1.2)，采用SAP2000通用分析软件中的模拟施工的顺序加载模块，对温度作用进行非线性有限元仿真分析，并把得到的应力和变形作为第二合拢阶段的初始状态参数使用；

步骤(2.2)，第二合拢阶段

添加新的结构构件，并按下一步骤进行所述仿真分析：

步骤(2.2.1)，记录合拢时的温度，以此作为参考温度，再记录合拢时的最高和最低温度，分别根据最高温度、最低温度与参考温度之差计算出合拢完毕后新的结构构件集合中各构件的温升和温降；

步骤(2.2.2)，采用所述SAP2000通用分析软件中的模块对温度作用进行非线性有限元仿真分析，并把得到的应力和变形作为下一合拢阶段的初始状态参数使用；

步骤(2.2.3)，重复执行步骤(2.2.2)，直到最终合拢阶段为止。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集合包括屋盖。

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