（工程力学专业论文）巨型框架结构模拟施工过程的结构分析.pdf

中文摘要 摘要 巨型结构组合体系是最近二十年以来伴随着高层和超高层建筑的发展而出现 的一种新型结构体系。已有的工程实践表明，在现代高层和超高层建筑采用的结 构体系中，巨型结构组合体系是技术经济效应最好的结构体系之一。它不但能够 保证结构刚度，减少材料用量，充分发挥材料和结构性能，简化构造，还能给建 筑设计带来新的风格和灵活性，正因为如此，目前世界各国正在酝酿的高度在5 0 0 米以上的超高层建筑的结构方案大都采用了巨型结构组合体系。 目前，针对巨型结构静、动力学特性研究的论文已有很多。但在设计、计算 巨型结构时仍然沿用一般高层结构设计所使用的计算软件，没能考虑到巨型结构 自身在建造过程中的受力特性。因此，研究传统的“一次加载计算方法”和“模 拟施工过程加载计算方法”在巨型结构体系设计计算中的差异，对巨型结构的设 计、巨型结构旋工建造期间的结构安全是十分有益的。围绕这一目的，本文进行 了以下的研究工作。 l 、本文针对巨型结构体系，建立了巨型结构模拟施工过程的力学模型及计算 方法。 2 、利用有限元计算软件s a p 2 0 0 0 进行计算时，提出能模拟结构施工过程的计 算方法以及程序初始数据定义方法。 3 、针对“模拟施工过程加载计算方法”和“一次加载计算方法”的弯矩、轴 力值进行比较分析并得出结论。对“模拟施工过程加载计算方法”的误差进行分 析并提出修正方法。 通过本文的分析计算，为巨型结构及其它超高层结构的设计提出了有益的指 导方法：在使用传统的“一次加载计算方法”进行结构设计计算时并不能考虑到 结构的各种受力工况，设计人员尚需采用“模拟施工过程加载计算方法”对结构 各杆件的配筋进行复核，以保证巨型结构在建成使用期间或结构形成阶段的结构 安全。 关键词：巨型结构，模拟施工过程加载计算方法，一次加载计算方法 英文摘要 a b s r a c t t h em e g a f r a m es t r u c t u r ei san e ws t r u c t u r es y s t e me m e r g e di nr e c e n tt w e n t yy e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mt a l lb u i l d i n g sa n dm o d e ms k y s c r a p s s o m e p r o j e c t sh a v ei n d i c a t e dt h a tt h em e g a - f r a m es y s t e mi s o n eo ft h em o s te c o n o m i c s t r u c t u r a ls y s t e m su s e di nm o d e mt a l lb u i l d i n g sa n dm o d e ms k y s c r a p s t h i ss t r u c t u r a l s y s t e mn o to n l yh a st h er o l e so fi n c r e a s i n gt h er i g i d i t y ，d e c r e a s i n gt h ev o l u m eo f m a t e r i a l s ，f u l l yd e v e l o p i n gt h eb e h a v i o r so f t h es t r u c t u r ea n ds i m p l i f y i n gt h ed e t a i l s ，b u t a l s ob r i n g so u tt h en e ws t y l eo fa r c h i t e c t u r ed e s i g n s ot h em e g a - f r a m ec o m p o s i t e s y s t e mh a sb e i n ga d o p t e di ne v e r yp l a c e so ft h ew o r l d ，w h i c ht h eh e i g h ti sa b o v e5 0 0 m e t e r sb e i n gd e s i g n e db ys o m ec o u n t r i e s a tp r e s e n tt h e r ea r es o m er e f e r e n c eo ns t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i so fm e g a f r a m e s t r u c t u r es y s t e m ，b o t hh e r ea n da b r o a d b u t ，t h ec u r r e n tu s i n gc a l c u l a t i n gs o f t w a r ef o r g e n e r a lt a l lb u i l d i n gb e i n gu s e di nd e s i g n i n gt h em e g a f r a m es t r u c t u r ew h i c hd o n t c o n s i d e rt h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i cd u r i n gi t sb e i n gc o n s t r u c t e d s oi t sv e r yb e n e f i c i a lt o s t u d yt h e d i f f e r e n c eb e t w e e n “s t r u c t u r a la n a l y s i so fm e g a - f r a m es t r u c t u r eu n d e r c o m p l e t el o a d i n g a n d “s t r u c t u r a la n a l y s i so fm e g a - f r a m es t r u c t u r es i m u l a t i n gt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s ”f o rt h i sp u r p o s e ，t h es t u d yo nt h em e g a - f r a m es t r u c t u r ei nt h i s p a p e ri sf o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 i nt h i sp a p e r , am e c h a n i c sm o d e la n dac o m p u t i n gm o d e lw h i c hs i m u l a t i n g c o n s t r u c t i o np r o c e s sa r ep r e s e n t e df o rm e g a - f r a m es t r u c t u r e 2 c o m p u t i n gm e t h o ds i m u l a t i n g c o n s t r u c t i o n p r o c e s s a n do r i g i n a ld a t u m d e f i n i t i o nf o rt h ef i n i t es o f t w a r es a p 2 0 0 0a r ep u tf o r w a r dw h i l ec o m p u t i n gw i t hi t 3 a n a l y s et h em o m e n ta n da x i a lf o r c eo b t a i n e db yt w od i f f e r e n tc o m p u t i n g m e t h o d ( “s t r u c t u r a la n a l y s i so fm e g a f r a m es t r u c t u r es i m u l a t i n gt h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s s ”a n d “s t r u c t u r a la n a l y s i so fm e g a - f r a m es t r u c t u r eu n d e rc o m p l e t el o a d i n g ”、 t h e np u tf o r w a r dac o n c l u s i o n a tt h es a m et i m e ，a n a l y s ec o m p u t i n ge r r o ro f t h er e s u l t s o f “s t r u c t u r a la n a l y s i so fm e g a - f r a m es t r u c t u r es i m u l a t i n gc o n s t r u c t i o np r o c e s s ”a n d r e v i s et h e m a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，s o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o nf o rd e s i g n i n gm e g a - f r a m e s t r u c t u r ea n do t h e rt a l lb u i l d i n gi so b t a i n e d ；i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fb u i l d i n g d u r i n gi t su s i n gp h a s eo rc o n s t r u c t i o np h a s e ，t h ed e s i g ne n g i n e e r ss h o u l dp a ye n o u g h a t t e n t i o nt ot h e “s t r u c t u r a la n a l y s i so fm e g a - f r a m es t r u c t u r es i m u l a t i n gt h ec o n s t r u c t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文 p r o c e s s a n dc o m p a r ei t sr e s u l t st ot h er e s u l t sw h i c ho b t a i n e db y “s t r u c t u r a la n a l y s i so f m e g a - f r a m es t r u c t u r eu n d e rc o m p l e t el o a d i n g ”，b e c a u s el a t e rc o u l d n tc o n s i d e re v e r y w o r k i n gc o n d i t i o n k e y w o r d s ：m e g a - s t r u c t u r e ，s t r u c t u r a la n a l y s i so fm e g a - f r a r n es t r u c t u r es i m u l a t i n gt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，s t r u c t u r a la n a l y s i so fm e g a - f r a m es t r u c t u r eu n d e r c o m p l e t el o a d i n g i v 1 绪论 i 绪论 1 1 现代巨型结构的发展历史和趋势 人口的不断增长，可利用土地的日益短缺，人类的生存空问也越来越拥挤。同 时经济技术的快速发展也促使人类不断探索新的，可容纳更多人的生存和工作空 间。作为人类生存、工作不可缺少的建筑物，正由简单原始的结构向高层、超高 层、大跨度方向发展。其中，巨型结构体系日益成为各国关注的重点，也成为建 筑界的专家学者研究的重要课题之一。 由于高层建筑的高度较大，水平荷载、竖向荷载成为结构设计的一个重要因素， 这就对结构的水平、竖直承载力结构体系提出了新的要求。1 8 8 5 年，世界上第一 个采用铸铁框架承重的近代高层建筑( 美国芝加哥家庭保险公司大楼，1 0 层，5 5 米) 的建成，标志着一个区别于传统砌体结构的新结构体系的诞生。此后由于钢 结构的不断发展，框架结构的高层建筑在2 0 世纪3 0 年代达到高潮。其最高结构 是纽约帝国大厦，( 3 8 1 米) 。保持世界最高建筑记录4 1 年之久。 随着钢筋混凝土结构的发展，出现了剪力墙结构体系，即上下贯通的钢筋混凝 土墙体代替结构中的梁柱承担竖向力和水平荷载，结构整体刚度大大增强。随着 人们对钢筋混凝土结构认识的增加，又出现了平面布置更加灵活的结构体系：将 剪力墙和框架组合在一起的框架一剪力墙结构，使之即具有框架平面布置的灵活 性又能较好的承受水平荷载。上述传统的框架、剪力墙、框架一剪力墙结构体系 并称为常用的三大结构体系。 随着人们对更高建筑物的认识的进一步发展，平面长宽比大的矩形结构在结构 抗风、抗震、竖向交通、空间利用等方面已不具备任何优点。因此，目前建造的 超高层建筑更多的采用塔式建筑造型，该结构体系将剪力墙布置在电梯井和楼梯 间周围形成框架一核心简体系。这种框架一核心筒结构体系是由美国的f a z l e rr k h a n 于6 0 年代初提出的。为建造更高的超高层建筑提供了更加广阔的空间。从这 种框架一核心筒结构体系又衍生出筒中筒、成束筒、中空筒等结构组合体系。1 9 7 4 年芝加哥建成的西而斯大厦( s e a r st o w e r ，1 1 0 层，4 4 3 米，成束筒结构体系) 为 杰出代表的新一代超高层建筑结构体系达到了一个新的里程碑。 自上世纪8 0 年代开始，随着亚洲经济和中国的崛起，亚洲和中国也修建了大 量的巨型结构体系的建筑物，如：马来西亚吉隆坡双塔，上海金茂大厦，上海环 球金融中心( 9 5 层，4 6 0 米，筒中筒体系) 。 由于电子计算机的应用，结构设计理论的提高，高新科技建筑材料的发展，超 高层建筑设备的发展，更高性能高层建筑施工设备的广泛应用，不仅为建筑师提 重庆大学硕士学位论文 供了更加丰富的想象空间，也为新颖的超高层建筑、巨型建筑的设计施工创造了 条件。现代高层建筑要求有独特的建筑形象，在建筑物底部或中间有托空中庭， 或建筑平立面的不断变化，这些要求进一步促进了巨型框架结构体系的发展，在 最近2 0 年来成功地建造了巨型结构体系、刚臂支撑体系。这些新型超高层建筑结 构体系的出现，不仅凝聚着结构设计师的才华，也为现代巨型结构体系的发展奠 定了理论和实践基础，为现代超高层建筑的历史写下了崭新的篇章。 图1 1 1 f i g1 1 1 在这些超高层建筑结构体系，巨型结构组合体系是技术经济效益最好的结构体 系之一，它的基本结构单元为：由若干个大截面的杆件组成主结构，在主结构内 部由迭放若干层小截面杆件的次结构框架，从而使巨型结构体系具有更大的稳定 性和更加灵活的结构布置形式。巨型结构体系能保证结构具有良好的整体刚度， 减小材料用量，筒化构造，降低造价，给结构设计带来极大的创意。目前，国内 外己建成的巨型结构组合体系的高层、超高层建筑有美国芝加哥的约翰汉考可中 心( j o h n h a n c o o k c e n t e r ，1 0 0 层，3 4 4 米高，图1 2 示) ，香港的中国银行大厦( 7 2 层，高3 6 8 米，图1 3 示) ，日本千叶县的n e c 办公大楼( 4 3 层，高1 8 0 米，图 1 4 示) 新加坡华侨银行大厦( 5 2 层，图1 5 示) ，以及中国深圳新华大厦，大连 远东大厦，上海广播电视国际新闻中心，台湾高雄银行大厦等。 2 1 绪论 图1 12 约翰。汉考可中心 f i g 】1 2h a n k o k ec e n t e r 至呈臣呈量 匡口t 丌瑙 f _ ：阿丁丁耍1 卫 离1 1 了 ( b ) 宁显营屡结构平面要 图1 1 3 香港中国银行 f i 9 1 1 3c h i n a b a n k h k m 审l 掣詈l 一“：午曩_ 叶u m 上j 卫盟一 。o 山o = l 二 ( c )寤最嚣喜结苘平面鎏 f a l 结构剖覃菖 图1 1 4 日本n e c 办公大楼 f i g1 1 1n e co f f i c eb l o c k j a p a n ；：一特譬一 重庆大学硕士学位论文 ( 丑) 到面图 ( b ) 顶里平面囝 ( c ) 标准层平面目 图1 1 5 新加坡华侨银行大厦 f i 9 1 1 5 0 v e r s e a sc h i n e s eb a n k s i n g a p o r e 从目前高层和超高层建筑的发展趋势看，高层和超高层建筑结构体系正在朝 着多样化的形式发展。总的来说大致可分为：采用钢结构为主的体系和采用钢筋 混凝土为主的结构体系。“美国高层建筑与城市环境协会”出版的高层建筑设计 一书中把国外钢结构和钢筋混凝土结构常见结构体系归纳为图1 6 和图1 7 所示的 形式，还给出了各种结构形式在现有的建筑材料和机械设备条件下可以达到的最 高修建高度。 科技和经济的发展为高层巨型结构的发展提供了无限的空间，人对高层结构 的欲望也是无限的，现在，西方一些发达国家都在计划修建高度在5 0 0 米以上的 超高层建筑，更有甚者提出的方案达到了4 0 0 0 米。这种思潮短期内虽然不可取， 且修建如此高的建筑将会对人类社会产生什么伦理、环境影响仍无法估量。但它 从另一个角度也折射出人类对拓宽自身生存空间的愿望，而超高层的巨型结构是 实现这一愿望的最佳选择。 4 l 绪论 舅岩匈凳工 图1 1 6 钢结构体系的高度 f i 9 1 1 6 h e i g h to fs t e e ls 仃u c t u r e 翟置主岛再姜盈 图1 1 7 钢筋混凝土结构体系的高度 f i 9 1 i 、7h e i g h to f r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e 1 2 巨型结构组合体系的特点 前文已经讨论了高层及超高层建筑结构体系的发展过程，巨型结构组合体系 是现代和未来的超高层建筑可能采用的最具有实践及经济意义的一种结构体系。 兰专*，譬if杖n，= 磊羹麓嚣i一i一、哇_斗一爿、一ii一 重庆大学硕士学位论文 同时它又自己的特点和特定的适用条件。巨型结构体系的主要优点是： 于将主结构将巨型柱布置在建筑物平面的两端或周边，并与主结构楼层的大梁 ( 主结构粱或“巨梁”) 连接成为巨型空间框架( 也可以形成巨型空间桁架) ，与 其他传统的结构体系相比，由于将巨型竖向承重构件推向建筑物平面的周边，所 以更能充分发挥材料或结构体系的承载作用，增大建筑结构的抗侧剐度，增加巨 型结构平立面布置的灵活性。即在同样刚度条件下，其结构材料消耗指标相对较 少，层数也可修建得更多，因此成为适应于层数较多的高层和超高层建筑的结构 形式之一。 结构楼盖梁( 巨梁) 可以只用于形成巨型空问框架或巨型空间桁架，也可以兼 作转换层，由此有利于沿高度方向楼层不同的使用功能、平面布局和结构布置的 变换以及设置底层中央大厅和沿高度方向设置多个中庭。而且，由于次结构传递 竖向荷载的层数较少，也有利于减小次结构柱的截面尺寸。当次结构楼盖在四角 或两侧巨柱之间完全架空时，可以形成一个完全没有桂的开敞空间，实现结构的 某些特殊功能要求。 巨型粱一般采用带规则孔洞的钢筋混凝土箱形截面、由空间桁架形成的箱形截 面或由双向钢桁架与上部现浇钢筋混凝土楼板组成的双向组合结构；巨型柱可采 用钢筋混凝土带规n i l , 洞的箱形截面，由空间桁架组成的箱形截面或其它可行的 结构截面形式( 如厚壁l 形截面、双支柱截面等) ，由此能够达到充分利用截面和 节约材料的目的，也有利于竖向交通管道与电缆并的布置或巨型梁内设置水平技 术层和避难层。这种布局可以取消中心筒，为建筑平面布置带来更大便利。 这种新的结构布局形式，也为建筑物的造型提供了新的手段和新的可能性。到 目前为止，已利用这些新手段形成了若干在高层和超高层建筑中具有新型造型的 一些标志性建筑物。 从巨型结构组合体系的平面布置原则来看，可以形成以下两个主要类型：一 种是当建筑平面为长方形，且建筑平面尺寸不是过大，层数也不是过多时，可以 采用沿一个水平力作用主轴布置巨型框架，沿另一主轴由筒体( 钢筋混凝土薄壁 筒或钢结构空间桁架) 单独承受水平力的方案。这时，巨型柱的筒身截面一般做 成沿巨型结构受力方向尺寸较小，沿另一主轴方向尺寸较大。例如，北京市建筑 设计研究院1 9 9 4 年为北京2 2 层左右高层住宅设计的钢筋混凝土巨型结构体系( 图 1 1 6 ) ) ，其中房屋进深为1 0 2 米，巨型柱和筒体仅作为楼梯间和电梯井使用，在 巨型柱间为1 0 2 m 1 9 8 m 的使用面积。当需要设置成两个单元时，可在中间加设 钢筋混凝土剪力墙作为分户墙。巨型梁占一个楼层，由上下楼盖和前后墙体组成 箱型截面粱。各巨型梁之间共有6 层次结构楼盖，楼盖为平板式，只沿房屋纵向 设边梁，中间除分户剪力墙外不设柱。在这类建筑重，各户使用面积的布置及整 6 1 绪论 体结构体系的布置都较为灵活，因此适应于可持续发展的小康住宅。 与此相似，在日本神户也修建了如图1 1 7 所示的巨型组合结构体系的高层住 宅，其主结构梁、柱均采用钢结构空间桁架。就是在这组巨型组合结构的高层住 宅中，有栋在阪神大地震中发生了主结构h 型钢柱水平断开的特殊震害。这一 震害受到世界各国抗震界的重视，日本有关学者还专门对改建筑物作了三维非线 性动力反应分析，但至今未能说明断开的原因。房屋结构的其余部分经调查均无 明显损伤。 作为这种沿一个主轴方向形成巨型结构组合体系、沿另一个主轴则由巨型筒 直接承受水平荷载的另两个知名建筑实例：一是由贝聿铭设计的新加坡华侨银行 大厦( 1 5 ) ，另一个是由罗杰斯事务所( r o g e r sp a r t n e r s h i p ) 设计的韩国汉城广播 中心办公楼( 1 1 7 ) 。 从图( 1 5 ) 可以看出，新加坡华侨银行大厦两端采用两个半圆形筒作为巨柱，在 这两个巨柱间沿高度每隔一定楼层布置一道桁架式转换层大梁。各次结构层则分 别支撑在其下方的巨型梁上。由图( 1 1 8 ) 可知，汉城广播中心办公大楼，由钢桁 架作为巨型梁，巨型柱也采用空间桁架结构。 在采用巨型结构组合体系的点式高层建筑中，巨型柱通常都布置在房屋周边 的四角上或建筑物平面的周边，巨型梁、柱可采用的结构形式已如前所述，到目 前为止已建成的巨型建筑，具有巨型组合体系特点的高层建筑结构体系就其表征 来看，大致可以分为以下三类： 第一类是保留核心筒的巨型结构组合体系。这类体系因仍将上下交通通道和管 井、电缆井布置在核心筒内，故四角巨柱不一定采用箱形截面。为了留出更多的 自由支配平面面积，四角巨柱可以采用厚壁l 形截面柱、双肢柱等。当次结构采 用框架结构时，巨型梁应兼作转换层大梁使用，若每层次结构楼盖直接支承予核 芯筒和角柱上而不设框架时，巨型梁则可不作转换层梁使用，而仅用于与巨型柱 一起形成主结构的空间框架。这种结构形式主要是服从建筑平面采用中心筒组织 上、下交通和管线通道的需要。从结构上，因核心筒在抵抗水平荷载时所发挥的 作用远不如角部巨柱，因此它的综合技术经济指标并不是很好，属于这类情况的 典型建筑如广州中天大厦。 第二类是不再保留核芯筒，而全由四角的巨柱与转换层巨型梁形成典型的空 间巨型框架作为主结构。四根角柱多采用钢筋混凝土箱形截面或由四个平面桁架 组成的空间钢桁架筒。由于四个筒之间平面面积较大，因此次结构仍采用框架结 构。这些次结构沿高度分成若干段，将竖向荷载分别传给由双向巨型梁或双向桁 架组成的转换层。这些转换层与四角箱形截面巨型柱一起组成主结构的空间桁架。 第三类方案的主结构与第二类相同，但次结构全部支承在四角的四根箱形截 重庆大学硕士学位论文 面巨柱上。这时因次结构的跨度较大，故多采用双向预应力梁组成的双向网格梁 楼盖或由上相钢桁架和钢筋混凝土板组成的双向组合体系，虽然每个次结构层的 高度略有增加，但换得的是四个角柱之间完全自由布置得无柱使用空间。 从以上叙述可以看出，巨型结构组合体系这种适用于高层和超高层建筑的结 构体系，的确为建筑物向更高的高度发展从结构设计的角度创造了比较有利的方 案。它不仅为建筑设计在造型、空间使用布局等方面提供了新的可能性，而且也 为在高层和超高层建筑中充分发挥现有建筑材料和建筑结构的功能和效益提供了 重要条件。 巨型结构组合体系具有结构可以明确分为主结构和次结构的鲜明特点。其次 结构的主要作用是将各楼层的竖向荷载可靠地传递给主结构的转换层和巨型柱， 或将竖向荷载直接传递给巨型柱( 当次结构采用无柱方案时) 以。当次结构采用 有柱方案时，直接位于转化层下面的层可以不设柱，而完全形成无柱的楼盖， 当然也可以与其它层一样设置柱子，但应注意，在其上面的转换层结构尚未充分 承担其上面各层次结构传下来的竖向荷载之前，该层柱不宣与上面的转换层连接， 以免造成竖向荷载传力不明确，以及下部次结构柱还需承担转换层以上结构的一 部分竖向荷载的不利状态。该层柱可以待上面的转换层充分承担竖向荷载和产生 相应挠曲变形后再与该转换层连接。 由于主结构的侧向副度通常明显大于次结构的可比侧向剐度，根据刚度分配 原则，水平荷载大部分由主框架结构承担，巨型结构建筑物的整体水平变形也主 要由主结构的刚度来控制。因此，目前在设计巨型框架体系时，大部分结构师仍 然将主次框架相分离来进行计算，将主框架视为一个大截面的框架，将次结构单 独进行分析，这也是因为当时的计算机软硬件技术的限制，现在由于计算机技术 的快速发展，普通p c 机的计算能力已经能够将巨型框架结构的主、次结构作为整 体来进行弹性静力分析和动力分析。这些分析虽然可以较好的进行结构设计，但 并不能很精确地描述巨型结构的受力过程，甚至得出的计算值与实际结构受力相 差较大。本文就此问题作出了新的尝试，采用模拟施工过程的加载方法，力求使 加载过程更接近于实际结构受力，在此思想指导下寻求传统的一次加载方法和“模 拟施工过程的加载方法”两种计算方法之间的差异。 1 3 本文的研究目的及主要研究内容 世界各国学者从不同的角度对巨型框架体系着手进行深入研究：我国学者李瑞 礼、曹志远一直致力于高层建筑结构和巨型结构模拟施工过程的施工力学方面的研 究，其成果对巨型结构体系设计理论的完善起着重要的引导作用( 文献 2 、 7 、 9 j 、 1 0 ) ；外国学者b a t h e k j ( 文献 3 7 ) 和c r c a j a d i n e ( 文献 3 9 ) 从“高强钢 1 绪论 筋混凝土材料在巨型框架结构房屋体系中的应用”为切入点，展开了巨型框架结构 体系可靠度与钢筋混凝土材料性能之间关系和巨型框架结构体系施工力学的研究， 论证了在常用强度等级混凝土条件下，巨型框架结构体系在不同工况内力重分布行 为，对超高层结构及巨型结构的设计提出了较好的理论基础日本学者m o r i h i r o a d a c h i 通过对日本本土建造的巨型结构体系进行长期研究后提出了巨型结构体系 设计分析等理论原则。 一般巨型结构投资大，人员和财产也相对集中，所以巨型结构的设计对安全 性的要求也高。但国内外对此结构体系的研究尚不完善，目前通用的一次加载计 算方法是针对普通小截面、高度不大的框架结构而开发的计算方法，尽管有不少 学者、专家和结构师己开始采用整体弹性分析，并将主次框架间的空间桁架作用 也考虑在内。但这种传统的一次加载的计算方法在实际巨型结构设计中的计算值 己经被证明与实际受力存在差异。为此，本文从“模拟施工过程的加载方法”的 角度，尝试进行了以下方面的研究工作： 1 、本文针对一个巨型结构体系，建立了巨型框架结构模拟施工过程的力学模 型及计算方法。 2 、利用有限元计算软件s a p 2 0 0 0 的强大计算功能，提出能模拟结构施工过程 的计算方法：巨型梁、次框架梁的自重折合为线荷载作用于梁的轴线上，建模时 不再添加梁的自重：添加第j 层结构时，该层柱的自重作为初始数值输入，第j 层 以下各层柱子均不再添加自重；最后将逐层计算的弯矩、轴力值修正后迭加在一 起得到“模拟施工过程加载”的结构内力值。 3 、针对“模拟施工过程加载计算方法”和“一次加载计算方法”的弯矩、轴 力值进行比较分析并得出结论。对“模拟施工过程加载计算方法”的误差进行分 析并提出修正方法。 通过本文的分析计算，为巨型结构及其它超高层结构的设计提出了有益的指 导方法：在使用传统的“一次加载计算方法”进行结构设计计算时并不能考虑到 结构的各种受力工况，设计人员尚需采用“模拟施工过程加载计算方法”对结构 各杆件的配筋进行复核，以保证巨型结构在建成使用期间或结构形成阶段的结构 安全。 2 巨型结构模拟施工过程加载计算数值方法 2巨型结构模拟施工过程加载计算数值方法 2 1 模拟施工过程结构分析模型 为推导出一般性的结论，设有一巨型结构体系，从中取出受力有代表性的一 榀框架，该榀框架从下向上共有n 个巨型子单元，每个巨型子单元有任意层次 框架结构，每层次框架结构有任意y 一2 个柱单元，相应有2 1 个次框架梁单元，脚 个结点。该榀平面巨型框架模拟施工过程的加载模型如下图2 1 1 所示： 国 亘一一 图2 1 1 巨型结构模拟施工过程的加载模型 f i 9 2 1 1 m e g a - s t r u c t u r el o d i n gu n d e rs i m u l a t i o nc o n s t r u c t i o n 模型中次框架梁和巨型梁的自重及所承担跨度范围内楼板自重和其上活荷载 分别折合为线荷载q 1 、q 2 。每个巨型梁下方为托空层，巨型梁上部次结构的竖向 荷载通过巨型梁传递到巨型柱、再传递到基础。即巨型子单元n 的竖向荷载对其 下部巨型子单元( n 1 ) 的次框架结构无影响。但下部巨型子单元( n 1 ) 的次 框架结构的刚度对整体结构的刚度矩阵有影响，所以，在添加巨型梁及其上次结 构时，结构的刚度方程应包括巨型梁下部次结构的刚度系数。 在“模拟施工过程”加载方法下添加第n 层荷载后，根据第n 步加载模型求出结 构的刚度方程，方程的解为没扣除前面( n 一1 ) 次加载过程中在结构柱单元形成 的初始竖向位移的模型( n ) 的竖向位移，将该位移值分别扣减前面( n 一1 ) 次 加载所形成的初始位移值后才是结构各层结点在第次加载。 2 1 1 第一次加载时任意单元巧的刚度方程 当完成第一层加载后，结构的计算模型如下图2 1 2 所示，将梁单元上的线荷 载向结点移置。 重庆大学硕士学位论文 1 l _ 再确两r n 图2 1 2 第一次加载时的计算模型 f i 醇1 2c a l c u l a t i n gm o d e lf o rl o a d i n gf i r s tf l o o r 对图示结构中任意单元巧，首先将作用在其上面的线荷载向结点移置，移置后 结点处的结点荷载和结点弯矩计算式为： r ：盟 m ：二监 1 2 r：型ii m ：型量 。 1 2 屯一单元9 长度 ( 2 1 1 ) 图2 1 2 所示结构中任意单元矗的 f ；、p 焉、k ；分别为： f 埒= 【墨￥m 玛巧m t 域= u j v0 。u j _ 0 j 】 单元巧的单元刚度矩阵为： k e j 称 式中：岛单元百的横截面面积；单元0 的长度 l 单元巧的横截面惯性矩；j 、j = 1 ，2 ，2 m ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 图2 1 2 所示结构中结点1 ，2 ，n l 与地面刚结其位移三个自由度等0 ， 可通过将对应的总刚度阵【司主对角线元素乘大数法来实现h 1 = k = 臼= = u = = o 。= o 的边界条件。将单元刚度矩阵 k 】；合成总体刚度矩阵【目的方法有 。里埒一。呱一巧一。 。半孚。半 一b。 。舻一b 。争 。字 对 2 巨型结构模拟施工过程加载计算数值方法 两种，其中第2 种方法更适合于编制电算程序，这两种方法是： ( 1 ) 位移转换矩阵法合成结构总刚度矩阵 该方法的依据是，设整个结构共有s 个单元，每个单元的结点力 f ：与结点 位移p 臻之间的关系可用下式表示： f 【k ep 圪 ( 2 1 5 ) 把s 个没有组合的单元的结点力结点位移关系列成如下形式： 曩 f 2 k 。】 k 】 k】 6 1 占： ： ： ： 占： 各单元的刚度矩阵【k b 作为上式中的主对角线上的子阵【k 1 】， 入，简计为： f 。 = k 。 设经过组合的整体刚度矩阵为k ，则结构的结点平衡方程为 ( 2 1 6 ) 阵： ，k 】列 ( 2 i 7 ) f ) = k 】秘 ( 2 1 8 ) 设结构的结点位移矢量p ) 与式( 2 1 7 ) 中的列阵协 之间存在下列关系： p = 【叫p ) ( 2 1 9 ) 【叫 为变换矩阵 假设结构发生了虚结点位移参 ，由上式可知各单元将产生虚位移 矿 ：【 置 ，结点荷载所做的虚功为参f f ) ，各单元内力所作虚功为f f f ) ， 由虚功原理： 侈 r ， = p 。 7 f 。 = p j 叫7 f 。 ( 2 d 1 0 ) 由于莎r 是任意的，由上式可知： f = 【叫7 f - - m 7 k e p + ) = 【司7 【k 爵【叫p )( 2 1 h ) 把上式与( 2 1 8 ) 相比较，可得整体结构总刚度阵k 与各单元刚度阵吲：的 转换关系为： k 】_ 【叫7 【k 叠【列( 2 1 1 2 ) 重庆大学硕士学位论文 即通过转换矩阵【叫将未经组合的单元刚度阵闻；通过变换7 k 焉【列得到结 构的整体刚度矩阵f k ，转换矩阵为： 州= a 1 3 0 一口口0 001 000 000 0 00 000 000 000 a80 8a0 oo1 ( 2 1 1 3 ) 式中 口2 c o s 口 8 = s i n o 0局部坐标系与整体坐标系间的夹角 当结构杆件轴线与整体坐标系x 轴正向平行时乜= 1 ；口= 0 当结构杆件轴线与整体坐标系x 轴正向垂直时口= 0 ；口= 1 将单元刚度矩阵k e 转换成整体刚度矩阵【k 】有两个作用： 将单元刚度矩阵 司；扩大到与结构总刚度矩阵【k 】同阶，以便进行矩阵的迭加。 将单元刚度矩阵中的各子块按照单元结点在整体结构中的实际编码安放在扩大 的矩阵中，它的物理意义是该单元对结构总刚度矩阵【匿1 的“刚度贡献”。 ( 2 ) 编码法建立整体刚度矩阵 n + 1 己n 巨巨 型 j 次喉架粱 型 柱柱 1m 1 一- 乏环糖酥_ 一 ”l 图2 1 3 第1 层加载计算模型 f i 9 2 1 3 m o d e l f o r l o a d i n g t h e f i r s t f l o o r 对含有任意个单元的结构，按从左到右，从下到上的顺序对结构中各结点的 三个自由度进行整体编号，然后在将单元刚度阵l k 匕进行合成时，再将每个单元 的6 个自由度在本单元内按顺序编码，如上图2 1 3 所示结构中任意杆单元“，对 单独的杆单元0 ，可将其两端结点的6 个自由度依次编码为i ，、 3 ，设杆单元0 的6 个自由度在整体结构中的编码为、，、i 、j 、r 6 ，对照 表示为下列形式： 2 巨型结构模拟施工过程加载计算数值方法 任意单元可结点自由度编码i 丘 毛五 五 五 整体结构中任意单元乒结点自由度编码k k p 】k k 】 单元刚度矩阵医e 中任一刚度系数蚝小对应的整体结构e e 单元g 的结点自由 度的编码为岛，那么k i 。应放在整体结构总刚度矩阵【囹的k 。位置。 即 妫，j l 斗k 口 对结构中全部单元处理方法相同，经过合成后的刚度矩阵即为整体刚度矩阵。 图2 1 2 所示计算模型共有2 m 个结点，每个结点有3 个自由度，模型的刚度 方程为： k 】1k 1 2 k 2 l 。k 2 2 k r 1 k l6 。 k 26 m k r ，6 m k 6 m 1k 6 m ，2 k 6 m ，6 m ( 2 1 1 4 ) 式中1 1 1 每层结构横向结点数 墨、y 、m 分别为结点i 的水平结点力、竖直结点力、结点弯矩 图2 1 2 计算模型中结点1 ，2 ，i l l 与地面固接，所有位移和转角皆为0 ， 实现这一边界条件的方法是将上式中总刚度矩阵中与结点1 ，2 ，1 1 1 对应的 主对角线元素乘以大数1 0 8 。 k 1 1 1 0 8 疋， j ( “ k ： k 2 2 1 0 8 民。，瓦。： k 。 k 。 群。 k 。 幽q执；叭竹阢；哪咖 玉x m；墨y尬 m“玑出n玑灿伽咖 xm：墨y m瓦 重庆大学硕士学位论文 即将上式中的总刚度矩阵【k 】中主对角线元素k 。，k 2 。，玛m , 3 m 分别乘 以大数1 0 8 ，从而实现己知边界条件u 。= h = e 。= = u 。= = 口。- o 的要求。 将已知的结点荷载、结点弯矩、已知的结点边界条件代入上式( 2 1 1 5 ) 求得 添加第l 层荷载后结点m + l ，m + 2 ，2 m 的竖向位移为： ( 2 1 1 6 ) $ ) 1 i ：j ：嘉荔嚣时麟；y ：i i i i i i 嵩譬嬲数 由于节点转角位移很小( 1 0 _ 4 或1 0 。级，见第3 节的算例) 可以忽略不计，只 考虑节点竖向位移。 2 1 2 添加第2 层荷载时节点竖向位移的求解 当按“模拟施工过程”加载方法添加第2 层荷载后的计算模型如下图2 1 4 ： 【，j n 一己个柱单元 图2 1 4 添加第2 层后结构计算模型f i 9 2 1 4m o d e lf o rl o a d i n gt h es e c o n df l o o r 首先将梁单元上的线荷载向结点移置： 图2 1 5 粱单元上线荷载向结点移置 f i 醇1 5l i n el o a d i n gd i s p l a c e m e n tt o j o i n t s “；屯，。l | | 、jp 2 巨型结构模拟施工过程加载计算数值方法 单元i j 的结点荷载和结点弯矩同式( 2 1 1 ) ，整个结构共有3 m 个结点，结构 的荷载列阵 f 和位移列阵秘 分别为： f = 陇vm 1 墨。x 。m 3 。】7 ( 2 1 1 7 ) 秘) ： u 。h0 ，码。v 3 。臼，。 7 ( 2 1 1 8 ) n 】为每层横向结点数 在“模拟施工过程”的加载方式下，第2 层结点2 m + 1 ，2 m + 2 ，3 m 的 最终竖向位移要考虑第1 层结点脚+ 1 ，m + 2 ，2 m 在第l 层加载时的初始 位移的影响。 ( 1 ) 当完成第1 层加载时，结点加+ 1 ，m + 2 ，2 m 的竖向位移可由式( 2 1 1 4 ) 求得，标记成如下形式： ) ；= 。：畦。 7 ( 2 1 1 9 ) 秘) ：= = ：二： 一一加载时序数j 上标表示加载时序数 一一节点所在层数 ； 2 加一一一下标表示节点编码 ( 2 ) 当完成第2 层加载时，图2 1 5 所示结构的刚度方程为： k 3 。 k j m k 9 。1 玛n 9 。 ( 2 1 2 0 ) 刚度方程( 2 1 2 0 ) 求出的是在第2 层加载时，图2 1 5 所示结构中结点m + 1 ， 埘+ 2 ，2 m ，2 m + 1 ，2 m + 2 ，3 m 的竖向位移，没有考虑第1 层加 载所形成的初始位移，在“模拟施工过程”加载条件下应在第2 层加载时将第1 层所形成的初始位移扣减。 完成第2 层加载时，结构第1 层各节点的最终竖向位移： 舾并 卧 。 ： 畦m 完成第2 层加载时，结构第2 层结点的最终竖向位移： ( 2 ，l - 2 1 ) q k q ；墨￥m；k ，、【 重庆大学硕士学位论文 爷艺= 嚷。 m + 。 ： 吃 记皿+ ， 畦。： ： e ( 2 1 2 2 ) 式中：上标表示加载时序数；下标表示结点编码 2 1 3 添加任意第1 1 层荷载时节点竖向位移的迭代关系 当添加第n 层荷载时，其下部n - 】层结构己存在累积初始位移，其加载过程如 下图所示： 1 导毛下赢 n 1 导i 下赫 n l 亲毛下融 n 1 2 )( n ) 图2 1 6 模拟施工过程加载到第n 层时的计算模型 f