CN112227719A - 一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法 - Google Patents

一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法，通过有限元模拟钢管剪力墙在两种不同浇筑顺序下施工各个阶段的应力和形变发展规律。依据某工程钢管剪力墙的设计图纸和技术参数，在Midas Gen有限元软件几何建模中将原来的二维图纸转化为三位的有限元模型，并结合已有的现场施工实测的变形参数以及模型边界约束条件对有限元模型进行参数设置，仿真模拟在不同的施工阶段(不同时间段)在各个工况下不同的施工浇筑顺序对结构的变形和应力，为钢管剪力墙体的设计优化和安装改造以及施工顺序工艺提供决策参数，确保钢管剪力墙的设计与施工运用的安全与经济性。

Description

一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法
技术领域
本发明涉及混凝土浇筑施工领域，特别是一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法。
背景技术
高层建筑对其所在的城市街区具有深远的影响。仅以它绝对的规模和人口总量，就对城市街区的集中化、对街上行人以及街景本身都具有明显重要性。随着我国国民经济的快速发展，高层及超高层建筑已然成为一个城市现代化的象征。钢和混凝土混合结构体系则是我国迅速发展的一种新型结构体系。由于其在降底结构自重。减少断面尺寸、加快施工进度等方面具有明显优势，已引起工程界和投资开发商们的广泛关注，目前已经建成了一批高度在150m～500m的建筑，如广州东塔(532m)、天津富力广东大厦(480m)、华润总部深圳湾项(400m)等。钢管混凝土结构因其良好的承载能力及延性，在超高层建筑中越来越多地被采用。
圆形钢管混凝土排柱剪力墙(即钢管剪力墙)是一种新型的结构形式，现今国内外对其施工中混凝土浇筑顺序的研究还比较缺乏。为此，研究一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序的分析方法，对实现钢管剪力墙快速安全施工具有实际指导意义，可以为施工方案设计提供可靠的理论量化分析依据，保障施工的安全和达到经济节约的目的。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法，包括：
S100建立钢管剪力墙混凝土的有限元模型；
S200按照先浇筑钢管内的浇筑顺序划分施工阶段；
按照先浇筑钢管外的浇筑顺序划分施工阶段；
S300对两种浇筑顺序分别模拟施加荷载，并在各个施工阶段，根据实际计算状况调整约束参数；
S400对两种浇筑顺序分别建立位移图例表，通过对比两种浇筑顺序浇筑后的混凝土收缩变形量，选择收缩变形量较小的浇筑顺序作为钢管剪力墙混凝土的浇筑顺序。
优选的，所述步骤S400还包括：
仿真后处理：在各个施工阶段下生成各工况下墙体应力、应变、挠度和形变云图，计算墙体的强度和刚度。
本发明通过有限元模拟钢管剪力墙在两种不同浇筑顺序下施工各个阶段的应力和形变发展规律。
优选的，所述步骤S100包括：
S110根据设计图纸，建立三维有限元模型；
S120在三维有限元模型中，定义材料属性，包括：混凝土等级、钢材的屈服强度、泊松比、弹性模量、密度；
在三维有限元模型中，确定单元类型：钢管剪力墙的墙体利用实体单元模拟计算形变和应力指标；钢筋利用桁架单元进行简化分析，采用梁单元进行脚手架模拟；板单元简化分析墙体模板；
对三维有限元模型，划分有限元网络：网格划分主要采取自由网格划分，在不同部位就取不同的精度，墙体和模板划分间距固定，钢管和墙体交接处为三角平面网格；
S130对步骤S120得到的三维有限元模型，模拟边界条件：墙体在施工时底部嵌固；墙体与墙体之间采用弹性连接，被连接的两个节点具有相同的自由度。
优选的，所述步骤S140中网格间距取80-100mm。
优选的，所述步骤S200：
按照先浇筑钢管内的浇筑顺序划分为五个施工阶段：支模板阶段、先浇筑钢管内部混凝土养护阶段、再浇筑钢管外部混凝土养护阶段、浇筑完再养护阶段、浇筑后阶段。
按照先浇筑钢管外的浇筑顺序划分为五个施工阶段：支模板阶段、先浇筑钢管外部混凝土养护阶段、再浇筑钢管内部混凝土养护阶段、浇筑完再养护阶段、浇筑后阶段。
一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行以上任一项所述的方法。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法，通过有限元模拟钢管剪力墙在两种不同浇筑顺序下施工各个阶段的应力和形变发展规律，选择收缩变形量较小的浇筑顺序作为钢管剪力墙混凝土的浇筑顺序，以实现钢管剪力墙混凝土浇筑顺序选择的科学化、合理化。依据某工程钢管剪力墙的设计图纸和技术参数，在Midas Gen有限元软件几何建模中将原来的二维图纸转化为三位的有限元模型，并结合已有的现场施工实测的变形参数以及模型边界约束条件对有限元模型进行参数设置，仿真模拟在不同的施工阶段(不同时间段)在各个工况下不同的施工浇筑顺序对结构的变形和应力，为钢管剪力墙体的设计优化和安装改造以及施工顺序工艺提供决策参数，确保钢管剪力墙的设计与施工运用的安全与经济性。
附图说明
图1是本发明方法的流程图示意图。
图2是混凝土自身收缩工况下，先浇筑钢管外部混凝土的变形图。
图3是混凝土自身收缩工况下，先浇筑钢管内部混凝土的变形图。
图4是在所有荷载同时存在的情况下，先浇筑钢管外部混凝土的变形图。
图5是在所有荷载同时存在的情况下，先浇筑钢管外部混凝土的变形图。
图6是本发明提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例1的钢管剪力墙(墙厚1550mm，钢管外径为900mm，壁厚为35mm)，采用如图1所示的有限元仿真分析技术，获取各个施工阶段的分析结果，具体包括如下步骤：
第一步：根据提供本项目工程的设计图纸几何与技术参数，在Midas Gen有限元软件中将二维图纸转化为三维有限元实体仿真模型。本实施例1共建立两个实体模型，分别为先浇筑钢管内部混凝土，先浇筑钢管外部的混凝土。
第二步：材料参数设置：混凝土等级选用C60,弹性模量3.59×1011N/m2，泊松比为0.2，密度为2549kg/m3，钢管选用Q345标准钢，抗拉强度为4.6×108N/m2，钢材选用理想弹性模型，弹性模量2.06×1011N/m2，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3，将以上材料属性值填加进所建模型。
确定材料单元：钢模板和支撑背架的材料均为Q235标准钢，分析钢模板用shell单元进行模拟，钢筋用Truss单元进行模拟，采用Truss单元模拟时只考虑其轴力，忽略材料质量。混凝土用实体单元模型模拟计算。
划分有限元网络：网格划分主要采用自由网格划分，网格划分在模型不同位置具有不同精度，钢管附近网格位置要求划分精度较高，模板及远离钢管位置划分精度较低。网格间距取80-100mm。模型共划分了8376个节点。
第三步：模拟边界条件。墙体在施工时底部嵌固，体现在三维有限元模型中则是使用固结约束替代。墙体与墙体之间采用弹性连接，被连接的两个节点具有相同的自由度。
第四步：划分施工阶段，共分为5个施工阶段，第一阶段，支模板阶段；第二阶段，先浇筑钢管内部混凝土养护3天(先浇筑钢管外部混凝土养护3天)；第三阶段，再浇筑钢管外部混凝土养护3天(再浇筑钢管内部混凝土养护3天)，第四阶段，浇筑完再养护7天；最后阶段，浇筑后3年(或1000天)。
第五步：模拟施加荷载：对两种浇筑顺序分别模拟施加荷载。
第六步：对完成前处理的有限元模型，进行各个施工阶段的运行求解，同时根据实际计算状况调整约束参数，验证获取模型的分析与实测结果一致性，进而保证有限元模型的准确可靠性。对两种浇筑顺序分别建立位移图例表，通过对比收缩变形，选择收缩变形较小的浇筑顺序。
第七步：仿真后处理：在各个施工阶段下生成各工况下墙体应力、应变、挠度和形变云图，计算不同阶段下先后浇筑混凝土对墙体的强度和刚度有何影响。确保任意工况下墙体的安全和其耐久性。
图2是在混凝土浇筑后，混凝土自身收缩这个工况下，先浇筑钢管外部混凝土对于整体墙变形的影响；图3是在混凝土浇筑后，混凝土自身收缩这个工况下，先浇筑钢管内部混凝土，对于整体墙变形的影响。通过对比变形图2和3，可以看出先浇筑钢管外部混凝土的位移图例表(即图中的分析结果)的各部分位移量更小，即收缩变形更小。
图4是在所有荷载同时存在的情况下，先浇筑钢管外部混凝土，对于整体的变形情况；图5是在所有荷载同时存在的情况下，先浇筑钢管内部混凝土，对于整体的变形情况。通过对比变形图4和5，可以看出在温度作用下先浇筑钢管外部混凝土的位移图例表(即图中的分析结果)的各部分位移量更小，即收缩变形更小。
实施例2
如图6所示，根据本发明示例性实施例的电子设备(例如具备程序执行功能的计算机服务器)，其包括至少一个处理器，电源，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器和输入输出接口；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述任一实施例所公开的方法；所述输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据；电源用于为电子设备提供电能。
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法，其特征在于，包括：
S100建立钢管剪力墙混凝土的有限元模型；
S200按照先浇筑钢管内的浇筑顺序划分施工阶段；
按照先浇筑钢管外的浇筑顺序划分施工阶段；
S300对两种浇筑顺序分别模拟施加荷载，并在各个施工阶段，根据实际计算状况调整约束参数；
S400对两种浇筑顺序分别建立位移图例表，通过对比两种浇筑顺序浇筑后的混凝土收缩变形量，选择收缩变形量较小的浇筑顺序作为钢管剪力墙混凝土的浇筑顺序。
2.根据权利要求1所述的一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法，其特征在于，所述步骤S400还包括：
仿真后处理：在各个施工阶段下生成各工况下墙体应力、应变、挠度和形变云图，计算墙体的强度和刚度。
3.根据权利要求1所述的一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法，其特征在于，所述步骤S100包括：
S110根据设计图纸，建立三维有限元模型；
S120在三维有限元模型中，定义材料属性，包括：混凝土等级、钢材的屈服强度、泊松比、弹性模量、密度；
在三维有限元模型中，确定单元类型：钢管剪力墙的墙体利用实体单元模拟计算形变和应力指标；钢筋利用桁架单元进行简化分析，采用梁单元进行脚手架模拟；板单元简化分析墙体模板；
对三维有限元模型，划分有限元网络：网格划分主要采取自由网格划分，在不同部位就取不同的精度，墙体和模板划分间距固定，钢管和墙体交接处为三角平面网格；
S130对步骤S120得到的三维有限元模型，模拟边界条件：墙体在施工时底部嵌固；墙体与墙体之间采用弹性连接，被连接的两个节点具有相同的自由度。
4.根据权利要求3所述的一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法，其特征在于，所述步骤S140中网格间距取80-100mm。
5.根据权利要求1所述的一种钢管剪力墙混凝土浇筑顺序分析方法，其特征在于，所述步骤S200：
按照先浇筑钢管内的浇筑顺序依次包括五个施工阶段：支模板阶段、先浇筑钢管内部混凝土养护阶段、再浇筑钢管外部混凝土养护阶段、浇筑完再养护阶段、浇筑后阶段。
按照先浇筑钢管外的浇筑顺序依次包括五个施工阶段：支模板阶段、先浇筑钢管外部混凝土养护阶段、再浇筑钢管内部混凝土养护阶段、浇筑完再养护阶段、浇筑后阶段。
6.一种电子设备，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至5中任一项所述的方法。
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