（机械工程专业论文）基于多支点滑动迁移方式的虚拟仿真系统的开发.pdf

中文摘要 建筑物迁移技术，是一项新兴工程技术，该技术的出现，不仅解决了城市规 划与现有尚具使用或文物价值的建筑物之间的矛盾，而且比其它方法更能节约大 量的人力、物力和时间效益，并带来巨大的社会和环境效益，因此建筑物迁移技 术必将得到快速发展。然而建筑物迁移工程是涉及多学科的复杂工程，其理论研 究尚不健全，存在许多尚未研究和急需解决的问题。针对迁移工程存在的问题， 本文建立了建筑物多支点滑动迁移方式的虚拟仿真模型，研究了其受力效应的特 点和规律，并开发出建筑物迁移工程仿真可视化系统，为保证建筑物迁移工程安 全、可靠、经济的完成的提供了理论指导和辅助设计工具。主要研究内容如下： ( 1 ) 探索迁移建筑物模型参数的确定方法及迁移模型位移边界条件的约束 方法并建立参数化有限元模型； ( 2 ) 对比分析建筑物迁移工程中多种托换结构的受力特性，并对托架结构 及斜柱位置进行了优化分析，得出了托架结构及斜柱受力特点和改进的方向，为 现场施工提供科学依据。 ( 3 ) 运用a n s y s 中的生死单元技术对迁移建筑物托换过程进行仿真分析， 运用重力释放方法对顶升和平移过程进行仿真分析，并开发出基于v b 的迁移建 筑物虚拟仿真系统实现了建筑物迁移的数字化和可视化分析。 关焖：建筑物迁移，优化分析，生死单元，数字化，可视化 a b s t r a c t b u i l d i n gm o v i n gi san e we n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g yh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha ss a v i n gm u c hm o n e y , m a t e r i a lr e s o u r c e sa n dt i m e t h a no t h e r m e t h o d s i tc a na l s os o l v et h ec o n f l i c tb e t w e e nc i t yp l a n n i n gw i t ht h ee x i s t i n g b u i l d i n g so fs c i e n t i f i c v a l u eo ru s e f u l ，s ot h et e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n gq u i c k l y h o w e v e rb e c a u s eb u i l d i n gm o v i n gt e c h n o l o g yi sam u l t i - d i s c i p l i n a r yc o m p l e xp r o j e c t ， t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hf o rt h ep r o j e c ti ss t i l ln o tp e r f e c ta n dm a n yp r o b l e m sn e e dt o b es o l v e d a i m i n ga ts u c hp r o b l e m ，as i m u l a t i o nm o d e lf o rm u l t i s u p p o r t i n g b u i l d i n gm o v i n gp r o j e c tb ys l i d i n gw a yi sb u i l ta n dt h ee f f e c t sc a u s e db yt h eb o u n d a r y c o n d i t i o nc h a n g e sd u r i n gt h em o v i n gp r o c e s si ss t u d i e ds y s t e m i c a l l yi nt h ep a p e r a n d t h e nac o m p u t e ra i d e dd e s i g n s y s t e mo fb u i l d i n gm o v i n ge n g i n e e r i n g i sa l s o d e v e l o p e d ，w h i c hi ss i g n i f i c a n tt ot h ep r o j e c ta n dc a nb eah e l p f u lt o o lo fo b t a i n i n g s o l u t i o n s t h er e s e a r c hw o r ki sl i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) am e t h o dt op i c ku pt h ep a r a m e t e ro fb u i l d i n gm o v i n gm o d e li sf o u n do u t a n dt h er e s t r a i n tm e t h o df o r t h em o d e li sg i v e nb ys t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e b u i l d i n gm o v i n gp r o j e c t a n dt h e nt h ep a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n tm o d e li sb u i l t ( 2 ) t h ec o m p a r i s o no fc h a r a c t e r i s t i c sf o rv a r i o u su n d e r p i n n i n gs t r u c t u r ei sa n d t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sd o n ef o rt h eu n d e r p i n n i n gt m s s w o r ka n dt h el o c a t i o no f b a t t e r p o s t a n dt h e n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w os t r u c t u r a lm e m b e r sa n d i m p r o v e m e n ta i ma r eo b t a i n e d t h ec o n c l u s i o n so f t h i sp a p e ri ss i g n i f i c a n tt ob u i l d i n g m o v i n gp r o j e c t ( 3 ) t h em e t h o do fb i r t ha n dd e a t hi s u s e dt os t i m u l a t e dt h ep r o c e s so ft h a t w h e nu p p e rs t r u c t u r ei ss e p a r a t e df r o mt h eb a s i sd u r i n gt h eb u i l d i n gm o v i n ga n dt h e m e t h o do fi n e r t i ar e l i e fi su s e dt os t i m u l a t e dt h ep r o c e s so fj a c k i n ga n dh o r i z o n t a l m o v i n g ，a n dt h e nac o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e mb a s e do nv bf o rb u i l d i n gm o v i n g p r o j e c t i s d e v e l o p e d a th es a m et i m e t h es i m u l a t i o no fd i g i t a l i z a t i o na n d v i s u a l i z a t i o no nb u i l d i n gm o v i n gp r o j e c ti sr e a l i z e d k e yw o r d s ：b u i l d i n gm o v i n g ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，b i r t ha n dd e a t h ，d i g i t a l i z a t i o n ， v i s u a l i z a t i o n 第一章绪论 1 1 建筑物迁移技术研究 第一章绪论弟一早硒比 随着我国城市化进程的加快，建筑物迁移技术在解决市政规划和保护历史文 物等发面发挥着越来越重要的作用，而随着城市化进程的加快，建筑物迁移技术 亦将得到愈加广泛地应用。 1 1 1 建筑物迁移技术研究韵背景和意义 建筑物迁移是指在保持建筑物整体性和可用性不变的前提下，将其从原址移 至新址，其中包括建筑物所在位置和姿态的任何变动【l 】。 在城市化的进程逐渐加快的过程中往往会出现许多建筑物因与城市整体规 划相悖而不得不被拆除，这必然会造成重大的损失和浪费特别是对一些刚建不久 且具有很大的实用价值建筑物及具有文物保护价值的古建筑，我国因此造成的经 济损失达上亿元之巨。如果为了保留建筑或减少损失而修改城市规划，则会给城 市建设造成永久缺憾，甚至产生新的问题乜删。为解决这一难题，建筑物整体迁 移( 顶升、平移) 技术被引入国内。采用建筑物整体迁移技术与拆除重建相比具有 以下优势h 。： ( 1 ) 节省物力和财力。各种迁移事实表明，采用建筑物迁移技术不仅比拆除 重建节约一半以上费用，而且能为社会节省大量的物资资源。 ( 2 ) 对居民生活影响小。 ( 3 ) 节省时间。建筑物整体迁移工期比拆除重建所需节省1 2 以上时间。 ( 4 ) 保护环境。采用迁移技术将减少建筑垃圾的产生，有利于保护环境。 ( 5 ) 保护重点文物。由于文物的不可重现性，不可对其拆除或重建，而建筑 物迁移技术是解决该问题的有效方法。 ( 6 ) 有利于城市的整体规划。 近年来我国城市建设速度明显加快，国内的建筑物迁移实例不断增多，但我 国对建筑物迁移工程的研究工作还处于起步阶段，缺乏理论知识和实践经验，这 将大大降低施工的科学性、合理性。而对建筑物迁移过程进行模拟仿真掌握其受 力变化特点则能提高建筑物迁移工程的安全性和可靠性。通过仿真，预测出建筑 物危险点部位并提前做出合理的加固或预防措施，从而减少或避免因施工方案的 第一章绪论 不合理或一些不必要的失误而造成的工程事故。因此，建筑物迁移的虚拟仿真技 术研究将成为迁移技术研究方向的主要分支之一5 5 卅。 1 1 2 建筑物迁移工程的国内外动态 国外的建筑物迁移技术在最早起源于2 0 世纪初期1 7 j ，在欧美国家应用较多。 这些国家对具有文物价值的建筑物及其重视，因此不惜重金运用建筑物迁移技术 将其转移到合适位置，予以重新利用和保护。同时，西方发达国家环境保护意识 较高，而如果将建筑物拆除，则会产生粉尘、噪音以及大量不可回收利用的建筑 垃圾，因此，建筑物整体迁移技术随后在发达国家得到广泛应用。 世界上最早的建筑物整体迁移技术出现在新西兰【8 】，工程技术人员采用蒸汽 机车作为牵引装置，将新普利茅斯市一座一层民宅移到新址，如图1 - 1 所示。 2 0 世纪8 0 年代以来，在欧美出现了一批具有代表性的建筑物迁移工程。1 9 8 2 年，由于超市扩建，一处位于英国伯明翰的会计事务所被移至8 千米外的地方 【7 ，8 】。1 9 9 9 年6 月，为避免因海岸的侵蚀造成文物的损坏，将位于美国卡罗莱纳 州h a t t e r a s 角海岸的一座高6 1 米的灯塔移至1 6 0 0 英尺外的地方，由于其所处位 置地形复杂并考虑安全因素原因，移动轨迹长达2 9 0 0 英尺，如图】一2 所示【8 9 j 。 1 9 9 9 年9 月1 6 日至1 9 日，由于扩建需要，丹麦哥本哈根机场的框架柱在 地面处被金刚石链条锯断，然后施工人员使用多台多轮平板拖车将候机厅在4 天 内移位了2 5 0 0 m 。该平板拖车自身可提供水平动力并具有自动控制装置，借此来 自动调节水平方向的同步移动以及补偿竖直方向迁移轨道上的沉降差，而且能够 自动确定旋转中心。如图1 3 所示【1 0 】。 2 0 0 6 年，位于埃及开罗的拉姆西广场，具有3 2 0 0 年历史的拉姆西神像被迁 移到一个博物馆所在地1 1 1 1 。完成该迁移的主要工具是专门的四轮拖车。 2 0 0 9 年1 0 月，位于荷兰哈德雒克市的一座具有5 8 英尺长，5 1 英尺宽，3 9 英尺高的伦勃朗故居被迁移到新址，在此之前它是用平板车迁移的建筑物中最重 的建筑物引。 综上所述，国外的建筑物迁移技术起步较早，发展较为成熟，基本实现了机 械化和自动化。由于国外特殊的人文景观及生活习惯，国外的迁移工程具有移动 距离长，体积小等特点。虽然早期的国外移位工程多使用螺旋千斤顶、液压牵引 的方式，有时卷扬机也被有的工程用做牵引设备，在河道和海上使用船的工程也 有若干例，但目前使用最多的一种迁移设备是由工程车辆作为牵引动力的多轮平 板拖车，如图1 4 所示。现又出现了一种自身可提供动力的多轮平板拖车，并在 多个工程中应用取得了理想的效果，如图1 5 所示。国外的迁移及控制设备已经 比较先进，但其造价较高。同时，大体积的高层建筑物迁移工程未见报道，并且 2 第一章绪论 对于托换结构的设计及优化方法也均末提及。 图1 1 新西兰一民宅平移图 1 2 灯塔平移 图1 - 3 哥本哈根飞机场候机厅平移 图l - 4 平板拖车 图1 5 自提供动力的多轮平板拖车 3 第一章绪论 我国建筑物迁移技术起步较晚，从8 0 年代开始到现在才四十年左右的历史， 但发展速度较快至今已有上百个建筑物迁移工程成功实例，遍及十几个省市 1 3 , 1 4 。国内最早的整体迁移技术出现在煤矿矿井建设中，有关采矿文献曾介绍过 小恒山矿排矸井井塔整体平移。最早提出建筑物迁移概念的是上世纪8 0 年代上 海铁路局科研所，该所针对江苏省某一楼房提出气浮悬托迁移方案，但由于条件 限制及其它原因未能实践。1 9 9 2 年9 月，福建省闽侯县交通局平移工程，水平 旋转了6 2 度，这是国内第一个迁移工程【l5 i 。1 9 9 3 年，重庆市一栋办公楼平移成 功，被有关媒体称为华夏第一移【1 6 】。1 9 9 3 年1 1 月，建筑物迁移技术首次被用在 古建筑迁移方面，上海外滩“天文台”古建筑被整体迁移2 4 2 米【17 1 。 2 0 0 3 年，一座建于1 9 3 0 ，由近代中国著名建筑师设计的西方古典形式的优 秀建罅上海音乐厅成功的完成了迁移工作。2 0 0 2 年1 2 月原名为南京大戏院且极 具文化研究价值的上海音乐厅平移开工，2 0 0 3 年7 月平移项升就位。这座具有 欧洲传统风格具有水泥、砖木混合结构重达2 8 0 0 吨的音乐厅被成功斜向平移 6 6 4 8 m ，顶升3 3 8 m ，其中原址顶升1 7 m ，新址顶升1 6 8 m 。由于其我国第一例 使用液压缸滑动方式实现其平移大型建筑物实例，故该建筑的迁移成功引起国内 外建筑界的普遍关注1 12 | 。如图1 - 6 是上海音乐厅顶升平移图。 2 0 0 5 年，由于位于吴忠市裕民西街的尚未建成的吴忠星级宾馆所处地理位 置与该市的城市规划建设方案冲突，故该市决定将占地面积1 9 2 7 m 2 ，总质量 2 0 0 0 0 t 的吴忠宾馆进行迁移。该建筑的平移成功创造了当时平移楼层最高、总重 最大、建筑面积最大三项世界纪录。如图1 7 为宁夏吴忠宾馆平移图。 2 0 0 6 年1 1 月1 6 日，建于1 9 9 6 年，楼高2 2 米，建筑面积4 0 0 0 平米，重5 0 0 0 吨的福建省厦门市人民检察院侦查技术综合楼使用了在轨道上铺设棍轴的方法， 成功实现了整体向西北方向移动6 1 米，并转动4 5 度的迁移【1 3 i 。 2 0 0 9 年3 月1 日，山东建筑大学工程鉴定加固研究所使用法国大型液压多 轮平板拖车将济南市一幢具有8 0 历史，占地面积1 3 5 m 2 ，总质量达3 2 0 t 的老别 墅整体迁移3 0k m ，这是国内首次成功采用轮动式大距离整体迁移技术实现建筑 物迁移。老别墅为砖木混合结构，墙下灰土条形基础，且年代久远故对迁移技术 要求较高。本次迁移使用了2 列2 0 组具有在线操控、全液压升降功能的车板。 如图1 5 为老别墅迁移1 8 图【1 8 。 2 0 0 9 年1 1 月，建于1 9 0 9 年，东西长3 7 2 4 米，南北宽3 1 4 2 米，高约2 5 米，重5 5 0 0 吨，占地面积9 3 0 平方米的天津西站采用滑动摩擦方式实现迁移。 该迁移中采用固定滑脚和活动滑脚相结合的方式，并在滑脚下设置带减摩材料的 精加工滑块 1 9 】。，如图1 9 所示。 综上所述，我国建筑物迁移工程发展较快，且具有迁移距离短、体积大、牵 4 第一章绪论 引设备和自动控制技术明显落后等特点。我国的建筑物平移方式主要有两种，一 是滚动平移，二是滑动平移。因国内对滑动迁移方式研究较少且缺少配套的顶升 迁移设备和控制系统，故国内采用滑动迁移方式的实例较少特别是多支点滑动迁 移方式，而这种方式具有很多优点，因此，应对迁移技术深入广泛的研究，研究 专用的分析软件，并开发适合本地的迁移工程装备，以使建筑物迁移工程都能安 全、可靠高效的完成。 图1 - 6 上海音乐厅顶升平移 图1 7 宁夏吴忠宾馆平移 图1 8 山东老别墅平移过程中图1 9 天津西站平移施工现场 1 1 3 建筑物迁移虚拟仿真技术研究的国内外动态 建筑物迁移技术在国外最早发端于2 0 世纪初期，我国则在2 0 世纪8 0 年代 才开始出现，但因其具有工期短、花费小、减少垃圾以及减少市政规划与历史文 物的保护矛盾等优势，该技术发展较快并得到广泛应用。然而由于建筑物迁移工 程的复杂性和涉及知识的广泛性尚未有对迁移建筑受力特点进行模拟分析的通 用方法和软件，特别是对多支点滑动迁移方式。国外对建筑物迁移技术的研究主 要集中在施工设计方面和工程装备等方面【2 ，而国内对建筑物整体迁移工程的研 究多集中在同步牵引、托换结构设计、轨道利用、切割分离、就位连接等几个方 面1 2 1j 。为了使迁移工程施工科学化，增大其的安全性和可靠性进一步丰富建筑物 迁移理论，必须对迁移工程中各种工况下建筑物的受力特点以及各种影响因素的 效应因子大小及其联系进行深入的研究。现阶段迁移工程中的大多数施工技术都 是在原建筑施工技术的基础上发展过来的，缺乏对迁移过程中建筑物受力作用特 第一章绪论 点的理论研究，故迁移工程的安全大多靠经验保证，且专门用于模拟迁移工程的 软件及保证平移安全减少迁移建筑受力破环的控制策略至今未见报道，这些都成 为迁移技术进一步发展的亟待解决的问题。 现有常用的建筑结构分析软件主要有：p k p m 系列、s a p 系列和a n s y s 系 列等，其它一些建筑结构分析软件如e t a b s 等在国外应用较普遍，但国内却不 常用1 2 2 。目前施工技术人员主要使用几种通用的建筑结构分析软件，在一系列假 设的前提下对建筑物做初步的分析【2 3 1 ，国内外的学者用分析软件对迁移建筑物进 行了各方面研究，并取得一定成果。例如：对迁移建筑物进行模态分析，得出结 构的模态阵型：建立托换节点有限元模型，得到了托换结构受力特点；建立墙体 的分析模型，得到了墙体受力开裂的条件；对整体平移过程进行分析，得到平移 中加速度对建筑物所受剪力的影响；建立迁移建筑物和轨道梁整体模型，分析了 地基沉降对建筑物受力的影响【2 4 ；建立迁移建筑物托架模型，通过对比得出相对 优化的托架结构1 2 5 1 。 1 1 4 我国建筑物迁移技术存在的问题 虽然国内外都对建筑物迁移技术进行了研究也取得了一定成果，但多数仅限 于滚动迁移方式的工程施工技术方面，缺少对多支点滑动迁移方式的研究以及对 迁移过程各状态的受力特点的研究并且专用的建筑物迁移工程仿真软件至今未 见文献报道。具体表现在以下方面： ( 1 ) 缺少对多支点滑动迁移方式的虚拟仿真研究 国内对建筑物迁移的研究主要集中在辊轴滚动迁移上，而这种迁移方式具有 以下缺点：对地基和轨道梁的要求较高，且地基的沉降和轨道的不平度对建筑 物影响较大；滚轴受力不均，易出现滚轴被压坏的现象，且容易产生扭转； 工程工期长，同时需要施工人员实时调整滚轴，造成很大安全隐患；难于补偿 迁移建筑受力变化：由于辊轴滚动迁移固有的特性不仅使研究人员很难预测迁 移建筑受力状况而且也使施工人员很难根据现场状况进行调整。滑动迁移却能解 决以上问题，但国内学者对此方式的迁移特点研究甚少【2 6 | 。 ( 2 ) 缺少专门用于模拟建筑物迁移工程的仿真系统 现阶段施工人员或相关研究人员一般主要通过使用通用结构计算软件，在一 系列假设的前提下对迁移建筑物做初步的分析，且由于迁移工程的复杂性、高风 险性使得对迁移过程进行直接试验研究几乎不可能，这就需要专门建筑物迁移仿 真系统对其进行仿真分析、方案验证及优化进而提供效率，节省大量的人力和物 力。 ( 3 ) 缺少对迁移过程中建筑物受力变化的可视化研究 6 第一章绪论 虽然国内外对迁移建筑物进行了许多虚拟仿真也取得了一定的成果，但这些 成果是不直观的、抽象的，难于直接用于指导实践。而能直观的显示迁移建筑物 受力变化的可视化软件鲜见报道。为方便施工人员更好的对迁移过程进行监控， 也使监测的部位及检测结果更具代表性和针对性，需要实现预判过程的可视化 1 2 7 口 ( 4 ) 缺少对因迁移轨道变化而引起迁移建筑受力变化规律的仿真分析以及 动力补偿研究 国内外学者对平移过程的研究多集中在平移过程中的启动和停止状态，对平 移迁移过程中轨道的不平度对迁移建筑物的影响研究较少，而如果轨道沉降差过 大，则迁移建筑物将会因产生较大附加应力而开裂和破坏。因此，需要对各种平 移工况下迁移建筑受力特点进行研究，同时也需对迁移动力补偿系统进行深入研 究，以减少因轨道沉降差过大而对建筑结构造成损伤【2 8 。 ( 5 ) 迁移工程中的托换技术尚不成熟 虽然国内不少学者对迁移工程中的托换方法进行了深入研究，也取得了一定 的成果，但都没提出明确的设计方案及对托换结构的优化方法。 ( 6 ) 缺少对迁移过程受力变化的理论分析 现阶段国内对迁移技术的研究多局限于托换技术、加载方式、局部受力分析 等方面，而对迁移过程中的切割分离过程、顶升过程、平移过程中建筑物受力变 化特点研究较少。 基于我国建筑物迁移存在的问题，本文的主要研究内容如下： 1 、建立模拟多支点滑动迁移的参数化模型。 2 、分析迁移建筑的受力特点，寻找适合于模拟多支点滑动迁移工程的仿真 模型的约束方法。 3 、模拟建筑物迁移过程的各个工况，分析其受力特性。 4 、对比分析多种托换结构形式并实现对托换结构的优化分析。 5 、实现轨道沉降及路面不平度的数字化模拟。 6 、实现预判建筑物迁移受力变化过程的可视化。 第二章建筑物迁移仿真模型建立 2 1 建筑物迁移介绍 2 1 1 建筑物迁移韵原理 建筑物迁移工程涉及方面众多，工程的实施要综合考虑原建筑物的特性、所 处位置、施工可行性、投资费用等多种因素，其基本原理是对要迁移的建筑物进 行必要的安全加固，根据托换理论改变建筑物底部结构传力方式，接着使用金刚 石切割等方式使上部结构与原建筑地基分离，分成原有地基与迁移部分，使迁移 部分成为独立的可移动体，然后通过顶升、牵引等技术手段，使迁移物到达迁移 目的地。 建筑物迁移工程的实施过程可分为三个阶段：前期准备阶段、设计阶段和施 工阶段，迁移工程实施的主要步骤参见图2 1 所示【2 9 1 。 建筑物迁移实施过程中结构托换、结构分离、牵引系统、控制系统、同步迁 移和就位连接是影响迁移是否成功的关键环节。 2 1 3 建筑物迁移方式 根据建筑物迁移过程中采用的可动支撑的不同，建筑迁移工程通常可分为滚 动迁移和滑动迁移： 滚动迁移：采用滚轴作为上部结构与下轨道梁之间的可动支承，它承受建筑 物移动过程中的全部竖向荷载。如图2 2 所示。 多支点滑动迁移：托盘上吊装的液压缸下安装滑靴，滑靴底面粘贴不锈钢板， 且不锈钢板与滑道钢板上铺设的聚四氟乙烯形成滑动面，然后由平移液压缸提供 顶推力进而实现滑动迁移。如图2 3 所示【3 0 】。 由于受国内控制系统的发展限制，国内迁移实例及研究对象多集中在操作简 便、控制要求低的滚动迁移方式。而多支点滑动平移方式具有平移平稳、具有动 力补偿、易于调整、平移速度快、对下滑道的平整度要求相对较低等优点，且随 着我国液压同步控制系统的发展( 如我所前期开发的建筑物迁移动力系统可以保 第二章建筑物迁移仿真模型建立 证位移同步误差在士1 5 m m 以内【3 l 】) ，该平移方式将被广泛应用，而国内缺少这方 面的研究，故本文选取的研究对象为多支点滑动迁移方式。 t l 可行性分析论证i 图2 - l 建筑物迁移工程施工流程图 l l 建筑物框架柱 缸 图2 - 2 建筑物滚轴滚动迁移工程示意图图2 3 建筑物多支点滑动迁移方式示意图 9 奎 妄一奎 第二章建筑物迁移仿真模型建立 有限元法应用较为广泛，其是基于计算机算法的一种数值分析方法。该方法 的基本思想是是将连续的结构物离散为若干个单元，使其成为等效的组合体，然 后在进行分析的方法。该方法基本任务分为两大部分：单元分析和结构分析。基 于该方法开发出的软件有许多，而a n s y s 则是其中杰出的代表。 a n s y s 是世界上著名的一种集结构、热、流体等多学科于一体的大型通用 有限元分析软件，其广泛用于国民生活的各个方面及科学研究，且a n s y s 己经 成为土木建筑行业分析软件的主流，其在以钢筋混凝土的结构为主体的民用建 筑、桥梁，以及以钢结构为主体的体育场馆、衍架结构等工程中得到了广泛的应 用。通过分析可以得到这些结构在各种工况下的受力变形、稳定性及动力学特性 等接逝实际状况的信息，然后根据实际情况对有用信息进行深加工，制定出出可 以用于指导实践的方案，故a n s y s 是一种功能强大且方便易用的分析手段【3 2 。 2 2 2 建筑物迁移模型单元选取 a n s y s 中提供的用于模拟建筑物常用单元有：梁单元( b e a m 4 、b e a m 4 4 、 b e a m l 8 8 ) ，壳单元( s h e l l 6 3 、s h e l 也81 ) 和实体单元( s 0 1 i d 4 5 、s 0 1 i d 6 5 、s 0 1 i d 9 5 ) 。 梁单元和壳单元一般用于简化大型模型的建模和计算分析时间，得到较为近似的 结果。实体单元常用于分析小型结构建筑或某一构件的受力分析，得到较为精确 的结果。考虑到本文研究对象尺寸较大且主要对仿真结果进行定性分析，故本文 选用梁单元和壳单元组合来模拟迁移建筑物。b e a m l8 8 是三维线性有限应变梁单 元，适合分析从细长到中等粗短的梁柱结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论， 并考虑了剪切变形的影响。s h e l l 6 3 是弹性壳单元，既具有弯曲能力，又有薄膜特 性，可以承受平面内荷载或法向荷载。且b e a m l 8 8 和s h e l l 6 3 单元使用较为方便， 能模拟建筑物的受力状况，故本文选用这两个单元建立有限元模型。 钢筋混凝土结构是由两种不同性质的材料组成，目前采用的有限元模型主要 有三种：分离式、组合式和整体式【3 3 1 。 ( 1 ) 分离式模型是将混凝土和钢筋作为不同单元，然后通过两种单元之间 的连接组合成的模型。其主要包括三种单元形式：混凝土单元、钢筋单元、粘结 单元。分离式模型的优点是可考虑钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，结果更加符 合实际但其建模复杂，尤其是钢筋较多且布置复杂时，且计算不易收敛。 ( 2 ) 组合式模型是指单元特定为混凝土和钢筋的混合特性，且认为钢筋与 l o 第二章建筑物迁移仿真模型建立 混凝土之间无相对滑移。该模型的单元刚度矩阵【k 】是由混凝土与钢筋之间分别 对单元的贡献矩阵【k 。和 k 。组成，即 k 】= k 】c + 瞰】。 ( 3 ) 整体式模型可用于钢筋在结构中分布比较均匀，且认为钢筋与混凝土之 间无相对滑移时的情况。这种模型的基本思想是将钢筋混凝土看作一种新的均匀 材料，且用单一的本构关系来表示材料特性。设混凝土的本构矩阵为【d 。，钢筋 的本构矩阵【d 】。，则整体式单元的本构矩阵 d _ d c + 【d 】。整体式模型建模简单， 计算易于收敛，但其无法考虑粘结和滑移，认为混凝土和钢筋之间粘结很好是刚 性连接，结果较分离式粗略。 对于单个构件的分析，为方便数值模拟结果与实验结果进行对比分析，得到 较为准确的结果且对单个构件分析的计算量较小，故一般采用分离式模型。由于 本文的研究对象是框架结构迁移建筑物，其构件较多且钢筋布置复杂，且主要构 件所用钢筋都是螺纹钢筋，混凝土强度也较高，因此钢筋和混凝土的粘结整体性 能比较好，可认为二者之间无滑移再考虑到选用单元的类型、分析时间和求解结 果的精确性，经以上分析说明，本文实验采用整体式方案。 现阶段国内外的1 0 层以下民用建筑多为框架结构，且建筑物迁移一般针对非 高层建筑，故本文选取框架结构建筑物的迁移为研究对象，为了使分析结果更具 普遍性，本文建立了参数化模型，其初定尺寸是依据一办公楼设定的且经过 p k p m ( 建筑专业常用设计软件) 软件验证，符合建筑设计规范要求。 对于一般的框架结构建筑物其主要承重构件的材料为c 3 0 ，再考虑其配筋情 况本文取建筑物柱、梁密度为2 8 0 0 k g m 3 和楼板的密度为2 5 0 0 k g m 3 。 为了使模型能准确模拟实际情形，本文考虑梁、柱和楼板内钢筋作用，采用 e i 等效处理方法来确定各构件的等效弹性模量。以确定柱的等效弹性模量为例 具体方法如下：采用s o l i d 6 5 单元创建一截面为5 0 0 5 0 0 m m ，高度为4 0 0 0 m m ， 配筋率为1 4 的分离式混凝土柱，划分适当的网格，采用下端固定，上端自由 的约束方式，在自由端施加1 0 0 k n 的水平力，计算顶端水平位移1 。然后用 b e a m l8 8 单元建立一相同尺寸的柱，初定一个弹性模量，施加水平力1 0 0 k n ， 计算其水平位移2 ，然后根据两者位移大小关系，修改弹性模量，不断迭代， 直至1 - 2 。运用修改后的弹性模量来建立有限元模型。梁和板的等效弹性模 量确定方法跟柱一样。 本文建模基于框架结构建筑，其墙并不是承重结构故本文在建模中把墙的重 量转化为线载荷加在框架梁上。查建筑物设计规范及考虑到迁移建筑实际情况， 取施加在楼板上均布载荷为2 k n m 2 。 第二章建筑物迁移仿真模型建立 2 2 4 建筑物迁移模型边界条件选取 建筑物平移是极其缓慢的过程( 一般1 0m m m i n 左右) ，其动力特性对结构的 影响远小于边界条件的改变对结构的影响，故分析时的某一时刻可以看作静态， 然后各静态分析结果连续再现形成动态分析结果。 迁移建筑上部结构与基础分离后，其上部结构底部的边界条件发生变化，其 由6 自由度完全约束变为竖直方向单向约束，如果据此进行有限元静力分析，则 会因有限元中刚度矩阵奇异，进而求解失败或者得到不正确的结果。因此必须按 最小影响原则补充不足的约束。有研究者采用“支点附加小刚度铰支杆”模拟建筑 物迁移模型边界条件瞰】。即在每个支点处假设存在一个轴向与迁移方向相同的小 刚度铰支杆，用来平衡多余或者不足的支点作用力。该方法操作复杂，可操作性 差。本文考虑到建筑物实际工况和有限元基础，提出采用惯性释放的方法来解决 迁移建筑模型约束不足问题。 惯性释放是a n s y s 提供的一种高级算法，主要运用于飞行器和船舶等受力 分析，其能解决因完全无约束产生刚体运动而无法进行结构静力分析的问题。该 方法的原理是利用静、动力平衡的方法并结合计算得到的因不平衡外力作用下结 构的加速度构造一个自平衡的力系。其静动力平衡方程可表示为： f ) + m ( = 0 ( 2 一1 ) 式中：f f 卜一所有节点分量组成的节点外载荷向量： 螂一所有节点加速度分量组成的节点加速度向量； m 一质量矩阵，由m ：fp ut n d d 确定，p 为密度，q 为体积分【3 5 】。 j u 求解上式可得到各节点上为了维持平衡所需的节点加速度，然后将节点加速 度转化为各节点的惯性力，接着把节点的惯性力作为外力加到有限元模型的节点 上，这就构成了自平衡力系，这可以理解为用结构的惯性( 质量) 力来平衡外力。 虽然惯性释放法解决了迁移建筑模型产生刚体运动的力平衡问题，但如果没有任 何约束施加在该模型上，其仍能发生刚体运动，进而导致奇异的有限元刚度矩阵， 以致求解失败。本文通过在仿真模型任一节点上施加约束来防止迁移模型的刚体 运动，进而消除求解过程产生的刚度矩阵的奇异性。由于求解得到的节点变形都 是相对于该约束点的，故该被约束节点也称参考零点。由于求解方程中节点的惯 性力己释放，由此求得的被约束点上没有约束反力，故该方法不影响迁移模型受 力及传力特性。综合以上所述，惯性释放是适用于迁移建筑物仿真模型边界条件 确定的方法。 第二章建筑物迁移仿真模型建立 2 2 5 参激化j l 趔建立 本文建立参数化模型的目的有以下几种：1 ) 尽量减少人为干预及重复性劳 动，提高解决问题效率，保证结果的可靠性；2 ) 使模型更具普遍性和适应性；3 ) 使模型具有良好的人机交互性，方便后续功能的开发。 a n s y s 提供了一种用来自动完成某些功能的且能进行参数化设计的脚本语 言a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) ，其普遍用于a n s y s 二次开发及 个性化功能定制。利用a n s y s 的a p d l 语言，用户可以定义合适界面，实现参 数交互输入、多模块调用、运行应用程序等功能，使用户能任意定义适当的分析 模块并控制其属性，故其可用于实现迁移建筑物的参数化建模和分析【3 6 1 。 参数定义是参数化建模的重要一步。为避免混乱，便于参数的管理和修改， 需要在进入前处理器之前把需要参数化的几何尺寸全部定义好。而如果需要单独 调用定义的参数，则需要把定义的参数单独写进宏文件进行封装，然后运用相关 的a d p l 语言进行调用。 本文建立的参数化框架结构迁移建筑物模型的主要基本参数包括建筑物房 间长度、房间宽度、走道宽度、房间数目、楼层数、每层高度、斜柱位置参数等。 则本文建立的参数化模型的部分命令流如下： f i n i s l l f i l n a m e , b u i l d i n g f l o o r = 61 楼层数 l e n g t h = 41 房间长度 w i g t h = 51 宽度 h i 曲1 = 41 第一层高度 a i = 0 51 立柱截面尺寸 t i t l e ，a n s y so fb u i l d i n g ! 建模 p r e p 7 1 定义单元及材料属性 e t ，1 ，b e a m l 8 8 e t , 2 ，s h e l l 6 3 ，1 r ，1 ，0 1 2 ， m 只e x ，1 ，3 3 4 e 1 0 m p , p r x y , 1 ，0 2 第二章建筑物迁移仿真模型建立 m p , d e n s ，1 ，2 8 0 0 1 宰柱截面 s e c t y p e ，1 ，b e a m ，r e c t , f l ，0 s e c o f f s e t , c e n t s e c d a t a ，a1 ，a 2 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 1 建立几何模型 k ，0 ，0 ，0 k ，0 ，0 ，h i g hl l s t r , 1 ，2 l g e n ，2 ，a l l ，2 ，1 ，w i g t h ， l g e n ，2 ，a l l ，2 ，l ，l e n g t h ， ! 布尔操作 a g l u e a l l l g l u e a l l 卜兀爪僵1 、保g a l l 卜兀瓜忙m p , a l l a l l s e l a l l ! 赋属性划网格 l s e l ，s ，l o c ，x ，0 幸d o ，i ，l ，n u l s e l ，a ，l o c ，x ，l e n g t h 举i ，l e n g t h 木i 木e n d d o l s e l ，u ，l o c ，y 0 1 ，w i g t h - 0 1 l s e l ，a ，l o c ，z ，o ，1 5 l s e l ，u ，l o c ，z ，0 l a t t ，1 ，l ，1 l e s i z e a l l - 0 15 l m e s h ，a l l ，a l l 建立的框架结构迁移建筑物模型如下图所示： 1 4 第二章建筑物迁移仿真模型建立 横梁 立柱 托架 图2 - 4 迁移建筑物框架模型 图2 5 迁移建筑物模型 图2 - 6 迁移建筑物托架结构形式 第二章建筑物迁移仿真模型建立 2 3 本章小结 图2 7 模型部分构件介绍 本文简要介绍了建筑物迁移的原理及方式，并将有限元分析应用于建筑物迁 移工程中，主要结论如下： ( 1 ) 根据1 0 层以下民用建筑特点及现阶段迁移技术使用范围，本文以6 层 框架结构为例进行以下模拟分析； ( 2 ) 对比分析了各种单元特性，确定b e a m l 8 8 、s h e l l 6 3 单元为构建框架结 构迁移建筑模型的基础； ( 3 ) 为考虑钢筋混凝土构件中的钢筋作用，本文采用e i 等效处理方法来确 定各构件的等效弹性模量，进而使模拟结果更加逼近； ( 4 ) 本文利用惯性释放和在模型任一节点施加约束相结合的方式解决了因 迁移建筑上部结构与基础分离后，其上部结构底部的边界条件发生变化导致的约 束不足问题，该方法简便、可操作性强； ( 5 ) 为提高建模效率及模型的适应性，保证模型的一致性，本文利用a n s y s 的a p d l 语言，建立了参数化有限元模型。 第三章建筑物迁移模型优化 3 1 设计优化功能框架 在现实生活中，经常需要在保证结构的强度和刚度在安全许用范围内且其各 种动力学指标都未超出许用范围的条件下，使关键构件的重量、体积、应变等达 到最小值的问题。如果用人工计算或列举的方法，不仅计算量大而且很难找出最 优方案。而a n s y s 中的优化设计技术能实现在满足所有设计要求的条件下，求 的最优设计方案，故该技术可用于解决一些实际问题。在实际优化设计中，设计 人员根据设计要求，应用理论知识和设计经验初步确定目标对象的结构形式，建 立初始化模型及优化准则，采用优化算法计算得到最优解，并分析最优解的合理 性。考虑到本文建立的迁移建筑模型中一层以上结构为不可变结构，故对模型的 优化设计即是对托架结构及斜柱位置的优化。设计优化包括优化建模、优化求解 和优化结果分析三方面【3 7 1 。 3 1 1 伐1 七建摸 在建立初始化模型后，建立优化准则的关键是确定实现模型优化的三要素： 设计变量、状态变量和目标变量。建立优化准则是实现优化的关键的第一步，其 要求设计人员具有专业知识，能抓住主要矛盾。然而，对复杂工程设计问题，要 准确确定设计变量、状态变量及其范围和目标变量并不容易。在实际优化设计过 程中，设计人员为了不遗漏关键变量和约束条件，往往设定较多设计变量和状态 变量并增大变量的取值范围，这可能存在约束冗余并将大大增加优化难度。因此 要求设计人员能通过模型特征分析，发现不重要设计变量，尽可能减少设计变量 个数，缩小变量取值范围并能按约束条件在优化空间中的重要程度排序，去除约 束冗余，最终简化模型，提高优化求解效率。下面是介绍实现模型优化的三要素 时的注意事项： ( 1 ) 选择设计变量 在选用设计变量中主要需要注意三个问题：尽量少的设计变量、合适的变 量变化范围和符合实际的设计变量。使用较多的设计变量不仅很难获得最优 解，而且容易引起结果不收敛特别是在问题高度非线性时，同时随着设计变量的 增加，求解所需机时也随着增加。设计者可通过设计变量合并的方法来减少设计 第三章建筑物迁移模型优化 变量的数量也即是将其中的一些变量用其他的设计变量表示，在此过程中要辨别 要合并的设计变量是否独立。如果定义的设计变量的范围过大不仅导致求解计 算量成倍的增加而且不能得到好的设计空间。如果定义范围过小则可能无法得到 最优解。选用的设计变量要符合实际，避免产生不合适的设计，比如托架的长 度和宽度是由迁移建筑尺寸决定的，不可作为设计变量。 ( 2 ) 选择状态变量 状态变量一般是控制设计的因变量因子。其可能的取向目标有应力，应变， 温度，频率，应变能等。状态变量必须是a n s y s 可以计算的数值：实际上任何 参数都能被定义为状态变量。选择状态变量时需要注意以下事项： 在状态变量范围定义时，若在最小值域中为空值则表示无下限，若其最 大值域中为空值表示无上限。 选择适当数量的状态变量来满足设计要求。如在应变分析中，不能只选 择某一状态时最大应变位置处应变为状态变量因为在循环分析过程中最大应变 位置是变化的，同时也要避免将所有节点都设为状态变量，比较好的方式是定义 几个有代表性的关键位置处的应变为状态变量。 考虑到优化分析中迭代算法的特点，在求解运算中如果采用零阶方法进 行优化分析，则应尽量选择与设计变量成线性或平方关系的参数为状态变量，这 样得到的逼近的状态变量更加精确。 为防止因为状态变量定义过小的范围使最优设计序列不存在，故在定义 其上限和下限范围区域时应包括合理的序列但应选择尽量小的范