CN104573202B - 框架‑核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明的框架‑核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法，涉及建筑工程技术领域，针对现有的框架‑核心筒结构体系的结构分析方法，计算模型单元数量多、计算速度慢、建模修改耗时巨大的问题。步骤：一、计算各层核心筒及巨型柱外包混凝土的截面力学参数；二、分别建立核心筒和巨型柱外包混凝土的等效梁单元模型，将步骤一得到的截面力学参数分别输入梁单元模型；三、建立巨型柱内包钢骨梁单元模型，并输入巨型柱内包钢骨的截面力学参数；四、建立完整的框架‑核心筒体系结构计算模型，进行计算并输出结果，可用于确定施工阶段结构竖向差异变形补偿量，能够减少模型单元数目，计算速度快，对于适应现场施工的紧迫性十分有利。

Description

框架-核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，特别涉及一种框架-核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展与建筑技术的突飞猛进，我国超高层建筑的建造高度与数量均取得举世瞩目的成就。同时，超高层建筑的结构计算分析手段也取得了很大进展。目前，超高层结构体系中应用最为广泛的是框架-核心筒结构体系，在框架-核心筒结构体系的结构计算方法中，一般采用板单元模拟核心筒和巨型柱的外包混凝土，采用梁单元模拟巨型柱的钢骨(梁单元通常用来模拟钢架、桁架等一维物体；板单元通常用来模拟厚度较小的二维物体)，这将导致计算模型单元数激增、计算速度变慢，而且，修改模型导致反复计算耗时巨大。

综上所述，在框架-核心筒结构体系的整个施工阶段，如何开发一种结构分析方法，能够快速有效地预测结构竖向变形及构件内力变化，从而为设计和施工提供参考依据，成为本领域技术人员不断探索的课题。

发明内容

针对现有的框架-核心筒结构体系的结构分析方法，计算速度慢，建模修改耗时巨大的等问题，本发明的目的是提供一种框架-核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法，减少了模型单元数量，提高了计算速度，能够快速有效地预测结构竖向变形及构件内力变化，从而为设计和施工提供参考。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案步骤如下：

步骤一：计算各层核心筒及巨型柱外包混凝土的截面力学参数，包括所述核心筒等效截面面积A、抗弯惯性矩Ixx、Iyy，抗扭惯性矩Izz；所述巨型柱外包混凝土等效截面面积A’、抗弯惯性矩Ixx’、Iyy’，抗扭惯性矩Izz’；

步骤二：分别建立所述核心筒和所述巨型柱外包混凝土的等效梁单元模型，将所述步骤一得到的截面力学参数分别输入所述梁单元模型；

步骤三：建立巨型柱内包钢骨梁单元模型，并输入所述巨型柱内包钢骨的截面力学参数；

步骤四：建立完整的所述框架-核心筒体系结构计算模型，进行计算并输出结果。

优选的，所述步骤三和步骤四之间还包括：定义混凝土收缩徐变模型，将所述混凝土收缩徐变模型与所述步骤二的所述核心筒和所述巨型柱外包混凝土模型进行连接，使得所述核心筒和所述巨型柱外包混凝土具有所述混凝土收缩徐变模型所定义的收缩徐变特性。

所述步骤三中，在所述巨型柱外包混凝土的梁单元模型的两个节点之间，建立一个叠合的梁单元模型来模拟所述巨型柱内包钢骨。

所述步骤二中，在所述核心筒的梁单元模型截面的刚度削弱部位相应地修改截面力学参数。

所述步骤四中，所述框架-核心筒结构体系的楼板、次梁均简化为附加均布荷载输入所述框架-核心筒体系结构计算模型。

本发明的效果在于：

一、本发明的框架-核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法，采用等效梁单元模型模拟超高层建筑核心筒及巨型柱外包混凝土，能够在很大程度上减少模型单元数量，实现计算速度快，避免因模型修改而导致反复计算耗时长的弊端，这对于适应现场施工的紧迫性十分有利。

二、本发明的框架-核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法，实现混凝土收缩徐变模型与核心筒和巨型柱外包混凝土的梁单元模型的连接，使得核心筒和巨型柱外包混凝土材料具有混凝土收缩徐变模型所定义的收缩徐变特性。而且，在考虑混凝土收缩徐变时，采用梁单元模型计算分析，更符合规范中收缩徐变模型单向应力状态的前提条件，因此，能够准确计算核心筒因混凝土收缩徐变引起的竖向变形，其最终目的能够在整个施工阶段，快速有效地预测结构竖向变形及构件内力变化、确定各施工阶段结构标高的补偿量、伸臂桁架固结时机及沉降后浇带封闭时机等一系列计算分析问题，从而为设计和施工提供参考。

附图说明

图1为本发明实施例一中核心筒横截面的结构示意图；

图2为本发明实施例一中巨型柱横截面的结构示意图；

图3为核心筒采用梁单元模型模拟的网格划分示意图；

图4为巨型柱采用梁单元模型模拟的网格划分示意图；

图5为核心筒采用板单元模型模拟的网格划分示意图；

图6为巨型柱采用梁板单元模型模拟的网格划分示意图

图7为修改梁单元模型截面力学参数模拟核心筒截面削弱部位的示意图；

图8为本发明与常规方法仿真分析的竖向变形量以及监测数据的对比图；

图9为本发明框架-核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的框架-核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法作进一步详细说明。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。以下将由所列举之实施例结合附图，详细说明本发明的技术内容及特征。需另外说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本实施例以某超高层建筑的施工为例，其采用框架-核心筒结构形式，总计70层，高度330m，共划分96个施工阶段，利用有限元软件MIDAS GEN模拟该超高层建筑建立有限元模型，对该超高层建筑施工全过程进行仿真分析，以确定钢构件的竖向变形补偿值，具体步骤如下：

S101：如图1和图2所示，计算超高层建筑整个核心筒10及巨型柱外包混凝土20的截面力学参数，包括核心筒10等效截面面积A、抗弯惯性矩Ixx、Iyy，抗扭惯性矩Izz；巨型柱外包混凝土20等效截面面积A’、抗弯惯性矩Ixx’、Iyy’，抗扭惯性矩Izz’；及巨型柱内包钢骨30的截面力学参数；

S102：如图3所示，分别建立核心筒10等效梁单元模型和巨型柱外包混凝土20等效梁单元模型，核心筒10等效梁单元模型的截面几何参数与核心筒10截面几何参数相等，巨型柱外包混凝土20采用混凝土双梁单元模拟，混凝土双梁单元截面几何参数与巨型柱外包混凝土截面几何参数相等效，将S101得到的截面力学参数分别输入核心筒10等效梁单元模型和巨型柱外包混凝土20等效梁单元模型；

S103：在巨型柱外包混凝土20等效梁单元模型的两个节点之间建立一个重合的梁单元模型用来模拟巨型柱内包钢骨30，即巨型柱外包混凝土20等效梁单元模型与巨型柱内包钢骨30等效梁单元模型共用节点。巨型柱内包钢骨30等效梁单元模型的截面几何参数与巨型柱内包钢骨30截面几何参数相等，并输入巨型柱内包钢骨30的截面力学参数；

S104：建立完整的框架-核心筒体系结构计算模型，进行计算并输出结果，可用于确定施工阶段结构竖向差异变形补偿量、分析施工阶段桁架内力及伸臂桁架固结时机、选择沉降后浇带封闭时机等一系列计算分析问题。

本实施例所用计算机的处理器Intel core i5-3470(4核心)，主频3.2GHz，内存：(RAM)8.0GB，系统Windows 7旗舰版service pack 1(64Bit)，Midas Gen2013(Ver.821R1)，所用梁单元模型单元数共计14425个，计算耗时2151.92sec；而采用图5和图6所示的板单元模型模拟的计算方法，其单元数为44375个，计算耗时8256.62sec，可见，采用梁单元模型计算使得单元数量减少，节省了73.9％的运算时间。

综上，采用本发明的结构分析方法，采用等效梁单元模型模拟超高层建筑核心筒及巨型柱外包混凝土，可以显著减少计算模型单元数量，从而加快了计算速度，避免因模型修改而导致反复计算耗时长的弊端，这对于适应现场施工的紧迫性十分有利。

实施例二：与实施例一不同的是，本实施例在实施例一的步骤S103和S104之间还包括：定义混凝土收缩徐变模型，将混凝土收缩徐变模型与步骤S102的核心筒和巨型柱外包混凝土进行连接，使核心筒和巨型柱外包混凝土材料具有混凝土收缩徐变模型所定义的收缩徐变特性。

由于规范中规定的收缩徐变系数的计算往往是针对单向应力状态的模型，板单元套用这种计算方法，会存在较大的误差，因此，在现有的结构分析计算方法中，采用板单元模拟核心筒及巨型柱的外包混凝土将不能准确计算混凝土的收缩徐变，而收缩徐变对超高层建筑混凝土构件的竖向压缩变形量影响显著，各竖向构件的变形差异将引起水平构件附加内力变化，从而影响结构的安全性和正常使用，而采用单向受力明显的梁单元来计算收缩徐变系数更符合规范计算的前提条件，本发明的结构分析方法，实现混凝土收缩徐变模型与核心筒和巨型柱外包混凝土的梁单元模型的连接，而且，在考虑混凝土收缩徐变时，采用梁单元模型计算分析，更符合规范中收缩徐变模型单向应力状态的前提条件，因此，能够准确计算混凝土的收缩徐变，保证了竖向变形量计算的准确性。我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中收缩徐变系数的计算采用了CEB-FIP1990规范中所建议的公式。

为检验采用本方法计算结构竖向变形值的准确性，在该超高层建筑施工过程中，于核心筒10的3F顶部布置标高监测点，监测该点在施工过程中的竖向位移，下文表一为采用本方法(核心筒、巨柱外包混凝土采用梁单元模拟)与常规分析方法(核心筒、巨柱外包混凝土采用板单元模拟)的仿真分析结果与监测点实测值的对比，表中数值单位为mm。

表一：本方法与常规分析方法的仿真分析结果与监测点实测值的对比

此外，图8所示的本发明与常规方法仿真分析的竖向变形量以及监测数据的对比图，横轴表示超高层建筑的各施工阶段，纵轴表示竖向变形量，单位mm。从图8可以明显地看出，采用本发明的结构分析方法计算得出的变形量更接近实测值，综上，由上述试验分析可知，采用梁单元模拟核心筒10及巨型柱外包混凝土20来计算结构因混凝土收缩徐变引起的竖向变形更为准确，这为快速有效地预测结构标高及构件内力变化、确定各施工阶段的结构标高补偿量提供重要参考依据。

更优的，在实施例一或实施例二的步骤S103中，在巨型柱外包混凝土20的等效梁单元模型的两个节点之间，建立一个叠合的梁单元模型来模拟巨型柱内包钢骨30，即巨型柱外包混凝土20和巨型柱内包钢骨30的梁单元模型共用节点，也就是说，巨型柱外包混凝土20和巨型柱内包钢骨30的梁单元模型在几何上完全重合。

采用两个梁单元模型叠合在一起模拟巨型柱的理论基础如下：假设采用步骤S102、步骤S103的重合单元上某一节点受到外力F的作用，由于变形协调，巨型柱外包混凝土20与巨型柱内包钢骨30在该节点上的变形相等；两类材料弹性模量及构件几何截面参数不同，两者在同一节点分配到的外力不同，满足F^s+F^c＝F(F^s表示巨型柱内包钢骨30分配到的外力，F^c表示巨型柱外包混凝土20分配到的内力)，对于模拟巨型柱外包混凝土20的梁单元和模拟巨型柱内包钢骨30的梁单元的平衡方程可以分别表示为：

[K^c]{u}＝{F^c}

[K^s]{u}＝{F^s}

其中，[K^c]，[K^s]分别表示两类梁单元模型的单元刚度矩阵，{u}表示节点位移向量。将上述两个公式相加，得到叠合单元平衡方程：

[K]{u}＝{F}

上述叠合单元平衡方程中，[K]为叠合单元的等效单元刚度，{F}为节点外力向量。

一般地，整个核心筒10沿高度方向截面刚度会有所变化(比如核心筒开洞)，图7模型中灰度变化的横截面为核心筒刚度削弱部位，因此，为保证计算准确性，在上述步骤S102中，在核心筒10横截面的刚度削弱部位相应地修改用于模拟该部位的梁单元模型的截面力学参数，从而使计算模型与实际结构符合更好。

此外，上述步骤S104中，框架-核心筒结构体系的楼板、次梁均简化为附加均布荷载输入框架-核心筒体系结构计算模型，以保证结构计算模型的完整性及真实性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (2)

1.框架-核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法，步骤如下：

步骤一：计算各层核心筒、巨型柱外包混凝土及巨型柱内包钢骨的截面力学参数，所述截面力学参数为所述核心筒的等效截面面积A、抗弯惯性矩Ixx、Iyy，抗扭惯性矩Izz；所述巨型柱外包混凝土的等效截面面积A’、抗弯惯性矩Ixx’、Iyy’，抗扭惯性矩Izz’，所述巨型柱内包钢骨的等效截面面积A”、抗弯惯性矩Ixx”、Iyy”，抗扭惯性矩Izz”；

步骤二：分别建立所述核心筒和所述巨型柱外包混凝土的等效梁单元模型，核心筒等效梁单元模型的截面几何参数与所述核心筒的截面几何参数相等，所述巨型柱外包混凝土采用混凝土双梁单元模拟，且所述混凝土双梁单元的截面几何参数与所述巨型柱外包混凝土的截面几何参数相等效，定义混凝土收缩徐变模型，将所述混凝土收缩徐变模型与所述核心筒和所述巨型柱外包混凝土的等效梁单元模型进行连接，使得所述核心筒和所述巨型柱外包混凝土具有所述混凝土收缩徐变模型所定义的收缩徐变特性，将所述步骤一得到的所述核心筒和所述巨型柱外包混凝土的截面力学参数分别输入所述等效梁单元模型；

步骤三：在所述巨型柱外包混凝土的等效梁单元模型的两个节点之间建立一个重合的梁单元模型用来模拟所述巨型柱内包钢骨，即所述巨型柱外包混凝土等效梁单元模型与所述巨型柱内包钢骨等效梁单元模型共用节点，所述巨型柱内包钢骨等效梁单元模型的截面几何参数与所述巨型柱内包钢骨截面几何参数相等，并输入所述巨型柱内包钢骨的等效截面面积A”、抗弯惯性矩Ixx”、Iyy”，抗扭惯性矩Izz”；

步骤四：建立完整的所述框架-核心筒体系结构计算模型，所述框架-核心筒结构体系的楼板、次梁均简化为附加均布荷载输入所述框架-核心筒体系结构计算模型，进行计算并输出结果。

2.根据权利要求1所述的框架-核心筒结构体系施工全过程的结构分析方法，其特征在于：所述步骤二中，在所述核心筒的梁单元模型截面的刚度削弱部位相应地修改截面力学参数。