（力学专业论文）施工期内建筑结构的可靠性分析.pdf

国防科学技术人学研究生院l ：学硕士学位论文 摘要 近年来，由于施工期钢筋混凝土结构事故的频繁发生，有关施工期结构的可靠 性研究日益引起国内外学者的重视。本文基于国内外的研究现状，进行了以下几 个方面的研究。 首先，利用a n s y s 有限元分析软件进行施工期结构荷载效应的分析。 其次，利用b p 神经网络较强的非线性影射能力和学习功能，建立了施工期结 构构件的荷载效应人工神经网络计算模型。该模型通过对a n s y s 有限元的计算结 果学习与检验，证明其计算精度良好、适用性强，可以大幅度的提高计算效率。 此外，基于钢筋混凝土结构在施工期阳j 的特点，研究了结构单元的抗力特性， 并且提出了可能的抗力模式，同时分析了影响结构单元抗力的一些因素。 最后，在以上工作的基础上进行了施工期钢筋混凝土结构的可靠性分析工作。 在具体的求解过程中，采用遗传算法作为求取结构可靠指标的最优化方法。 主题词：施工期荷载效应 a n s y s 人工神经网络可靠性 第i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 蕴三塑内建煎结擅要塞世金堑 学位论文作者签名 作者指导教师签名 日期：埘年一月砷 日期：t 初z r 年、月2 日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 当一个结构从开始施工到投入使用，再经过若干年使用后，其性能逐渐退化 步入老化期，经历了”一个类似人的生命历程，即幼年期( 旌工期) 、壮年期( 设 计基准期) 和老年期( 老化期) ，称为结构生命过程的三个阶段。研究表明，建 筑物在其整个生命周期中各阶段的失效风险概率呈两头高，中间低的浴盆状“1 ，如 图1 1 所示。在建筑物整个生命周期过程中，施工期内因结构的不完整性、所受荷 载的复杂性、以及结构抗力的不成熟性，导致结构的平均风险概率极高。 c 年) 图1 1 结构生命周期失效概率分布示意图 国内外近期结构安全事故的统计数据都表明结构旌工期内的事故发生率居高 不下：在美国，大约5 7 的工程破坏事故发生在施工阶段。俄罗斯这个比例为7 0 ”3 。 我国更加突出，据不完全统计，从1 9 5 8 年至1 9 8 7 年问国内2 8 5 起房屋和结构倒塌事 故分析表明，施工期间发生的事故占8 3 ，如表卜1 所示。i 。全国建筑工程发生倒塌 事故而死亡3 人以上的，1 9 9 1 年1 3 起，1 9 9 2 年3 1 起，1 9 9 3 年4 7 起，1 9 9 5 年上半年仅 上海就发生事故2 5 起，死亡3 0 入。据对全国近十年3 5 7 起倒塌事故统计分析表明， 有7 8 的事故发生在施工阶段”1 第1 页 国防科学技术大学研究生院r 学硕十学位论文 表1 11 9 5 8 1 9 8 7 国内2 8 5 起倒塌事故统计分析 施工期掏傅蟠憧用期间翻蝎 房属茹剔 倒塌起辩 起娥酉分化趋数百分比 民用建筑 1 0 28 5 3 s 91 73 5 1 工业建筑 l o e蚰5l o 2 口，8 仓库车库 3 自3 3 培96lo 唾 构筑锄 1 5 la 4埔2 9 2 房屋最携构件 “ 匏 9 ，324 2 簋计 z 衢2 3 丁 1 ( b s 2 j蛐l ( 1 6 b ) 导致施工期内建筑结构失效概率高于正常使用阶段的原因是多方面的，既有 客观条件的限制，也有包括施工过程中的人为因素。由于结构在施工阶段处于不 断“生长”的状态，在施工结束前结构并未能形成完整的承载体系，施工期荷载 主要由部分已完成施工的结构构件和支撑体系组成的临时结构体系承担。而支撑 体系和结构构件的协同工作性能尚处于研究之中。同时，施工阶段荷载分布非常 复杂，施工期内荷载对结构的荷载效应和结构使用期的荷载效应也有所不同。而 且，对于钢筋混凝土结构，施工期内结构承载构件包括尚处于低龄期的混凝土构 件，混凝土的力学性能并未发展成熟，导致施工期内混凝土构件的抗力性能要低 于使用期相应混凝土构件。此外，施工阶段各项人为操作失误也是导致结构失效 概率远大于正常使用阶段的重要原因。 现浇混凝士结构施工，通常采用一层或多层模板支撑、二次支撑，以此承担 新浇筑楼层的自重荷载和施工活荷载。其中模板支撑和二次支撑的主要作用是将 荷载传递给已浇注完成的钢筋混凝土楼板上。由于目前旋工单位普遍追求快速施 工，缩短施工周期，导致钢筋混凝土构件开始承担施工荷载的混凝土龄期越来越 短，而此时的混凝土往往还很不成熟。此外，这些楼层承担的施工荷载，有时会 达到甚至超过成熟混凝土结构正常使用状态所承担的设计荷载，由此造成现浇混 凝土结构质量事故增加。 施工阶段的安全问题在桥梁阶段早己引起人们的注意，但是钢筋混凝土多高 层结构施工阶段的安全问题直到8 0 年代以来才真正引起人们的重视“。美国、加拿 大、欧洲混凝土协会等都进行专门立项开展研究。我国国家科委于1 9 9 4 年专门立 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 项开展“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”( 国家基础性研究重大 项目，攀登计划b ) ，将高层建筑在施工过程中的安全性分析与控制纳入其中进行 研究”。 本文通过分析施工期内钢筋混凝土结构荷载和抗力的分布规律，利用有限元 分析软件a n s y s 分析施工期内建筑结构的安全性，并从结构可靠度理论出发，进行 施工期钢筋混凝土结构的可靠度分析。 1 2 国内外研究概况 为了保证施工期内钢筋混凝土结构的安全可靠，国内外学者就以下几个方面 开展了研究： 1 2 。1 施工期结构分析与测试 结构从开始建造到投入使用的施工过程是结构随时问的增加而逐步“生长” 的过程，在整个施工过程中，任一时刻结构的形状、材料性能以及承受的施工荷 载均随时间的变化而变化，可称之为“时变结构“7 1 施工期结构分析即以这个“时 变结构”为研究对象，分析其结构行为，这与使用期只考虑荷载作用于最后形成 投入使用的结构分析思想有所不同。 g r u n d ya n dk a b a l i a 。1 在1 9 6 3 年提出了一种考虑结构施工过程中模板和楼板共 同承载的简化手算结构分析方法( 以下称为简化方法) ，简单明了且具有较好的工 程精度，便于施工工程师使用，并为美国a c i3 4 7 委员会推荐在混凝土模板工程设 计中使用该方法( h u r d 。1 ) ：该文作者考虑到混凝土的徐变、局部荷载的重分布以及 现场模板工程施工的连续程度等因素不能定量地知道，故作下列简化假设： 支撑的刚度相对于楼板是无穷大的： 楼板由支撑相互连接，因而当加上新荷载时，所有互相连接的楼板挠度相 等，同时楼板按其相应的刚度承受一部分增加的荷载： 楼板的刚度相等： 地坪或其它基础支座是刚性的。 第3 页 国防科学技术大学研究生院 二学硕+ 学位论文 a g a r w a la n dg a r d n e r “”通过对两幢正在施工的平板无梁高层结构的现场实 测，验证了简化方法的实用性。现场实测得到的楼板及支撑分别承担的荷载，与 楼板按不等刚度的简化方法分析结果相比，误差在1 0 以内：与楼板按等刚度的简 化方法分析结果相比，误差在1 5 以内。简化方法的分析精度在可接受范围内。 1 9 9 2 年李惠明”3 提出了基于简化方法的时变结构内力计算的连续方法，可以计 算时变结构任一时刻的内力和位移。 1 9 9 5 年，d u a nm z 和w f c h e n 在简化方法的基础上，考虑支撑为弹性杆，提 出改进的简化方法，并强调应考虑施工活荷载的作用以及支撑刚度与楼板刚度的 比值对荷载传递作用的影响。 l i u ，c h e na n db o w m a n “”提出了旋工期结构分析的精化分析方法( r e f i n e d m e t h o d ) ，该方法没有考虑支撑刚度相对无穷大以及楼板的刚度相等的假设。该方 法的分析结果与简化方法的分析结果对比分析表明，简化方法未考虑龄期对楼 板刚度的影响，因此低估了己硬化楼板的荷载而高估了新浇筑楼板的荷载：实用 中应将简化方法分析的最大荷载乘以1 0 5 1 1 0 的系数。 l i u ，c h e na n db o w m a n “”就a g a r w a la n dg a r d n e r “”的现场实测结果、简化方 法的分析结果和精化分析方法的分析结果进行了对比分析，结论表明简化方法具 有工程实用性。 l i u ，c h e na n db o w m a n “”构造了三维分析模型，以考虑基础刚度的变化、柱 轴向刚度以及楼板长宽比等因素对楼板和支撑分别承担的荷载的影响，并与精化 分析方法的分析结果进行了对比分析，结果表明两种方法的分析结果基本一致。 l i ua n dt h e n ”基于三维分析模型。，考虑了材料徐变等因素对荷载分析结 果的影响，结果表明三维分析模型“”的分析结果应折减5 一1 0 。 m o s a l l o ma n dc h e n “。通过考虑更多的施工参数和步骤，改进了精化分析方法 “，强调施工荷载分析中应考虑施工活荷载和模板支撑刚度的影响，并与简化方 法进行了对比分析，结果表明简化方法存在着工程实用性。他们“6 1 还提出了一个 能模拟混凝土施工过程的二维计算模型，该模型综合考虑了蛏向荷载和水平荷载 的作用，结果表明水平荷载影响较小，出于实用目的可以忽略。 e 1 一s h a h h a ta n dc h e n ”7 1 提出了一种改进算法，该法按照精化分析方法中的分 析步骤，利用该步骤中楼板和支撑分别承担的荷载与楼板中各点相对挠度的关系， 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 求得楼板和支撑分别承担的荷载。 s t i v a r o sa n dh a l v o r s e n ”将等效框架法应用于施工期结构的分析，考虑了 混凝土的早龄期性能、结构和支撑的刚度以及它们之间的相互作用：他们“”还基于 a c i3 1 8 m 一8 9 “”中的等效框架法二维计算模型，开发了确定楼板和支撑系统荷载的 计算机程序。 r o s o w s k ye ta l 1 进行了一系列调查和现场测试工作，指出现场获得数据的 可能性，支撑承担的荷载、混凝土楼板养护期间的荷载信息等均可通过测试获得， 同时他们也提出了一种利用水箱加载模拟施工现场进行测试的方法，并获得了一 系列数据。 m o r a g u e se ta l 。“利用结构分析程序s a p 9 0 对施工过程中的钢筋混凝土框架结 构进行了分析，并于现场实测数据和简化方法的分析结果进行了对比。 d u a ne ta 1 0 2 1 提出了改进的简化方法。该法基于简化方法，分别讨论了支撑 的刚度、支撑的徐变及混凝土的徐变和收缩等对结构荷载传递的影响，从而得到 施工荷载传递系数。 杨宗放、郭正兴”4 1 和潘兼。”对上海小北门高层( 1 7 层) 住宅现浇钢筋混凝 土无梁楼板工袒以及华东电管局总调科技情报大楼2 4 层( 另j 1 1 6 层塔楼) 全现浇内 筒外框结构工程，进行了楼板和支撑分别承担的荷载的现场测试，测试结果与简 化方法的分析结果进行了对比分析，结果表明在多、高层建筑施工中，简化方法( 在 不同施工条件下) 是一种计算较为简便实用和较可靠的分析方法 方东平等人“2 7 1 提出了一种新的施工期结构分析方法，编制了软件t d s a ，并 进行了初步验证。8 1 。他们还进一步研究了施工期内结构荷载随时间变化重新分配 的机理，建立了施工期内钢筋混凝土结构荷载分配的连续计算模型，并对其安全 性分析方法进行了探讨。”3 。 1 2 2 施工期荷载调查与分析 a y o u ba n dk a r s h e n a s “”于1 9 8 7 1 9 9 0 年在美国7 个州1 2 个城市对2 0 余幢正在 施工的现浇钢筋混凝土结构混凝土浇筑前阶段、浇筑后阶段的楼面活荷载进行了 现场实测调查，按照其旌工期楼面活荷载调查方法获得了现场实测数据，根据其 第5 页 国防科学技术大学研究生院j 二学硕士学位论文 分析方法得到了统计分析结果，并与a c i3 4 7 r 一8 8 ”规定的楼板模板活荷载限值进 行了对比分析。 k a r s h e n a sa n di l e i n r i c h 。”1 对混凝士浇筑期间的楼板模板的动载模型进行了 分析研究，他们考虑了影响楼板模板动载的有关因素，建议了概率模型。 李惠明”1 研究了施工过程中由于倾倒混凝土引起的冲击荷载对部分抗力的混 凝土结构与模板及其支架组成的临时承载体系的影响，提出了一种计算关于浇筑 混凝土时产生的冲击荷载对“时变结构”动态影响的方法：他还研究了运送混凝土 的小型机动翻斗车在新浇筑混凝土楼面上行驶时引起的动载对临时承载体系的影 响 r o s c w s k ye ta l 。”研究了施工活荷载的测试方法，结果表明测试方法可以分 析调查方法所不能考虑的混凝土浇筑时引起的荷载、动态冲击荷载等较复杂的施 工活荷载，记录真实施工活荷载随时间的变化规律。 南京工学院、同济大学、北京建1 研究所和冶金部建筑研究总院等单位曾现 场测试了新浇筑的混凝土对模板的侧压力，获取了大量的观测数据。混凝土结构 工程施工及验收规范。”修订组又进一步补充了有关数据，以流体静压力原理为基 础，修订了混凝土侧压力的计算公式。“。 孟宪海等人。”“”对现浇钢筋混凝土结构楼面活荷载进行了现场实测调查和研 究，探讨和总结了现浇钢筋混凝土结构施工过程中楼面活荷载出现的规律和分布 特点。 1 2 3 施工期钢筋混凝土结构可靠性分析 w e b s t e r “。提出了一种遏制多、高层现浇钢筋混凝土结构在施工过程中连续性 倒塌的可靠性分析方法，该法考虑了结构设计状况和施工操作步骤的影响。 a y y u b “2 1 提出了对施工期结构进行可靠性分析的基本方法，并应用于美国佛罗 里达州科卡海滩一幢5 层现浇钢筋混凝土结构完全倒塌事故的分析，从施工期结构 的可靠性出发分析了事故发生的原因。 c s a r d n e r “”指出结构设计工程师在没计结构时，应考虑结构的施工状况：旌工 工程师在制定施工方案时，应考虑结构的设计状况。 第6 页 国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。本文将利用a n s y s 有 限元分析软件进行钢筋混凝土结构施工期的安全性分析。 钢筋混凝土结构施工期的安全性的分析和评判，可以利用概率极限状态设计 方法中的可靠指标进行定量的判断。精确的有限元计算方法和先进的概率可靠度 计算模型相结合是当前钢筋混凝土结构施工期可靠性研究的重点。 本文拟在上述两个方面做一些工作，具体内容如下： ( 1 ) 较为系统地介绍了钢筋混凝土结构施工期的安全性分析的手段、方法以 及当前的一些重要发展趋势。 ( 2 ) 针对框架结构施工期荷载效应问题，利用a n s y s 有限元分析软件展开分 析工作，并给出了工程计算实例。 ( 3 ) 较为系统地介绍了目前常用的概率可靠度计算方法，并根据本文的研究 内容提出：框架结构施工期可靠度分析适宜选用可靠性指标最优化算法。 ( 4 ) 在采用a n s y s 有限元分析软件进行结构分析的基础上，利用神经网络 方法建立了框架结构各楼层及屋面的施工荷载与结构构件的荷载效应的影射关 系，为框架结构旎工期可靠度分析的可靠性指标最优化算法提供条件，并给出验 证算例。 ( 5 ) 将遗传算法作为框架结构施工期可靠度分析的可靠性指标最优化算法的 优化分析工具，给出了框架结构旋工期可靠度分析的算例和分析结果。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章框架结构施工模拟计算 施工阶段钢筋混凝土建筑结构事故的不断发生，促使人们对建筑结构设计理 论进行反思，并且认识到目前建筑结构分析设计理论的局限性：分析给定的、已 知的、不变的结构；结构所受的荷载也是已知的；静荷载不随时间改变，动荷载 随时间按已知规律( 包括随机) 变化。而施工期间钢筋混凝土建筑结构是自身随 时间改变的时变结构。为此，国内外学者对钢筋混凝土建筑结构施工期的荷载分 析、结构抗力分析以及结构体系分析方面进行了一系列有益的研究，取得了可喜 的成果。本文将以框架结构为研究对象进行施工模拟，分别从施工期内建筑结构 的荷载分析、结构抗力分析以及结构体系分析等方面探讨影响框架结构施工的安 全因素。 2 1 施工期内建筑结构荷载分析 2 1 1 施工期内建筑结构荷载的分类 结构施工期与结构使用期是两个完全不同的阶段，因此施工期结构承受的荷 载与使用期也不同。根据施工期内建筑结构所经受荷载的性质与特点，施工期荷 载可以有多种分类方法，可以将施工期荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。 施工期永久荷载主要包括钢筋混凝土构件自重和模板支撑系统等临时结构的 自重。施工期可变荷载包括施工人员重量、施工设备重量及可能产生的动荷载、 材料堆积产生的荷载、浇灌混凝土的冲击荷载、捣实混凝土时的振动荷载以及风 荷载等。旌工期偶然荷载包括地震和爆炸等。因为这些荷载发生的概率较低，且 结构施工期相对较短，因此般情况下可以不考虑。 根据荷载的作用方向不同，施工期内建筑结构的荷载可分为竖向荷载、水平 第9 页 国防科学技术大学酮生院【学硕士学位论文 荷载、附加竖向荷载和特殊施工荷载等。竖向荷载主要包括恒荷载，如新浇筑混 凝土自重、钢筋自重、模板及其支架的自重等，和楼面活荷载，如施工人员重量、 施工设备重量、捣实混凝土时的振动荷载等。水平荷载有风荷载、新浇筑混凝土 对垂直模板的侧压力、混凝土运料车启动和刹车时产生的水平力、温度应力等； 附加竖向荷载是由水平荷载作用于具有斜支撑的模板系统而传递到水平结构构件 上的竖向荷载，其作用大小及状态依赖于斜支撑的布置情况。特殊施工荷载是由 于施工材料的堆积及混凝土非对称浇筑等原因产生的，其特点是作用时问相对较 短，但由于作用面积集中会导致超载，从而引发结构构件的裂缝、过度变形等质 量事故。 按不同方法对施工期内建筑结构荷载进行分类的目的是便于对施工期荷载的 调查与分析。 2 1 2 施工期内建筑结构荷载的调查与统计 对施工期结构进行安全性分析，首先须了解施工期荷载的统计特征，而荷载 的统计特征须对大量不同地区、不同施工方法的在建工程进行实测才能获得。因 此，施工期内建筑结构荷载实测与统计分析是进行安全性分析的前提条件。然而， 与这种要求极不适应的是，目前国内外对施工期内建筑结构荷载的实测与统计分 析工作做得不多，大部分施工荷载的取值还依赖于工程经验，现行施工规范有关 分项系数的取值大部分也没有根据施工期的结构特点进行专门的研究予以调整， 这与人们对施工期内建筑结构安全度认识不足有关。例如对施工期临时性结构一 模板的设计， 混凝土结构工程施工及验收规范( g b 5 0 2 0 4 9 2 ) 4 9 】中计算施 工设计值时采用了与结构使用期相同的分项系数，如表2 1 所示。 而如前所述，结构的使用期和施工期是完全不同的两个阶段，显然施工期模 板的设计分项系数采用了与结构使用期相同的分项系数是不妥的。这是因为：一 方面结构施工期模板的设计与结构使用期所面对的时间长短不同，施工期模板的 承载时间只有几天，而结构使用期要长达几十年甚至上百年；另一方面施工期内 建筑结构荷载的类型与结构使用期也大不相同，己有的少量旌工期荷载调查资料 表明，施工期楼面荷载的变异性要比使用阶段大得多【4 7 】【4 8 1 。 第1 0 页 国防科学技术火学研究生院工学硕士学位论文 表2 1 模板设计的荷载分项系数 荷载类别 分项系数 模板及支架自重 1 2 新浇筑混凝土自重 1 2 1 - 2 钢筋自重 施工人员及设备自重 1 4 振捣混凝土时产生的荷载 1 4 新浇筑混凝土对模板的侧压力 l _ 2 倾倒混凝土时产生的荷载 1 4 在国外，文献 5 0 5 2 从1 9 8 7 至1 9 9 0 年三年间共调查了美国1 2 个城市的近 3 0 个施工项目，分别对混凝土浇筑前和刚刚浇筑( 拆模前) 楼板上的施工荷载进 行了调奄和统计分析，通过计算等效均步荷载得到了有关施工活荷载的统计分布 和参数。文献 5 3 研究了施工活荷载的测试方法，可以分析混凝土浇筑时引起的荷 载、动态冲击荷载等较为复杂的施工活荷载，真实记录施工活荷载随时间的变化 规律。表2 2 给出了从国外一些文献收集到的钢筋混凝土结构施工阶段荷载的统计 参数和概率分布类型。 表2 2 施工期荷载的统计参数 参考文献荷载类别分布类型平均值标准值变异系数 文献 5 4 】 恒荷载 正态分布 1 0 5 0 1 0 活荷载对数正态分布 0 2 5 o 5 0 o 5 1 00 6 风荷载对数正态分布 文献 5 5 】 恒荷载 正态分布 1 0 50 1 0 活荷载极值i 型分布 1 1 0o 2 5 1 0 伽玛分布 文献 5 0 】 活荷载 u = o 3 k n m 2 1 o 2 0 和威布尔分布 在国内，东南大学、同济大学、北京建工研究所以及冶金建筑研究总院等单 第1 1 页 国防科学技术人学硼 究生院工学硕士学位论文 位曾在现场测试了新浇筑混凝土对模板的侧压力，获得了大量的实测数据。混 凝土结构工程施工及验收规范( g b 5 0 2 0 4 - - 9 2 ) 修订组又进一步补充了有关数据， 以流体静压力原理为基础，修订了混凝土的侧压力计算公式 2 3 1 。1 9 9 8 年，清华大 学组织人力对北京、苏州和临沂的八个钢筋混凝土框架、剪力墙、框剪及框筒工 程的施工荷载作了实际调查与统计分析口7 【4 0 1 ，获得了我国钢筋混凝土结构施工阶 段荷载统计宝贵的第一手资料。调查中将施工过程分为浇筑、养护和拆支撑三个 阶段，然后分别调查每个阶段施工荷载的平均值、最大值、最小值及标准差。调 查结果表明，不同结构体系和不同施工阶段可变荷载的平均值和标准差相差很大， 活荷载平均值由1 0 6 2 柳m 2 到6 1 2 1 k n i m 2 ，活荷载最大值由0 7 1 0 k n m 2 到 1 1 6 6 7 k n m 2 。标准差由于数据相对较少而偏大，其范围为 0 1 8 8 k n m 2 3 0 1 7 k n m2 ，而且标准差大小与调查区域面积有关。从统计结果来 看，框架结构体系施工期活荷载比剪力墙结构体系活荷载要大些，图2 1 和图2 2 显 示出在所调查的八个工程项目中，全部钢筋混凝土框架和全部钢筋混凝土剪力墙 结构的养护阶段可变荷载的统计直方图。 图2 1 钢筋混凝土框架结构养护阶段施e 活荷载直方图 第1 2 页 瓣骥避藜 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 瓣攥 毳貔艄 移盘 巍l o 巍l 嬲 嵇。1 0 0 0 棼。0 溯 穆霸。鳓 纂爨黼舞麓灏蜘睫 图2 2 钢筋混凝土剪力墙结构养护阶段旋工活荷载直方图 总而言之，目前已有的为数很少的荷载统计资料尚不足以用来分析施工期内 建筑结构的可靠度，统计资料的缺乏已成为施工期内建筑结构安全性分析的“瓶 颈”问题。因此，在国内广泛开展施工期内建筑结构荷载的调查与统计分析是非 常必要的。但这要在有关部门的组织协调下，由众多的科研、设计和施工单位花 费大量的人力和物力共同完成。考虑到目前结构施工荷载统计资料分析的现况， 参照国内外已有的施工荷载统计资料，在本章所进行的施工期内建筑结构安全性 分析以及第四章的施工期内建筑结构可靠度分析中，恒荷载的统计参数取值与使 用期的相同，及荷载g 的平均值与标准值之比为k 。= 。g 。= 1 0 6 ，变异系数 矗= 0 0 7 ，服从正态分布；施工期楼面活荷载的平均值与标准值之比为 k 口= 心绒= o 2 5 ，变异系数= o ，5 0 ，服从对数正态分布，这个数据反映了 施工期活荷载值一般较小，但由于影响因素较多，离散性较大的特点。对模板支 撑及二次支撑系统自重，暂不考虑其变异性。在这种条件下，所分析的施工期内 第1 3 页 国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 建筑结构的安全性及可靠度只有相对意义，即只反映了施工期安全性随一些变量 的变化规律和趋势。施工期荷载效应s 可通过后面介绍的旋工期结构分析得到， 施工期结构荷载效应为时间( 施工步骤) 的函数，是一个随机过程。 2 2 施工期内建筑结构抗力分析 施工中的钢筋混凝土结构是一个混凝土强度和结构外型不断随时间变化的 “时变结构”。因此，旌工中钢筋混凝土结构的抗力是一个随时间变化的随机过 程，这一模型应反映混凝土强度的平均值和变异系数随时间的变化。 混凝土从浇筑成型丌始到不断成熟的过程，是混凝土中的氧化钙不断水化为 坚硬的碳酸钙的过程，随着水化的进行，混凝土的强度和弹性模量不断提高，而 温度对混凝土的水化过程有很明显的影响。温度越高，混凝土的水化速度越快， 因此同一龄期混凝土的强度和弹性模量也随温度有明显变化。表2 3 为3 2 5 号水泥 拌制的混凝土在不同温度下硬化时的强度增长百分率5 矾。 c e b - - f i p ( 1 9 9 0 ) 模式规范 5 7 l 给出的由2 8 天混凝土强度推算出混凝土不同龄 期强度的公式为： 正0 ) = 五( r ) 正 ( 2 2 1 ) 坤m 以护唧附剧 包： 铲弘n 唧l 赫+ 等j 旺：m 其中，f ，为温度修正后的混凝土龄期，称为“换算龄期”：无为混凝土2 8 天时的 抗压强度；工嘛) 为混凝土换算龄期的抗压强度；。( 0 ) 为混凝土换算龄期对强度 的修正系数；t ( a t 。) 为第i 时间段f 。时的温度；s 为水泥品种系数，取为： f o 3 8慢硬水泥 j = o 2 5普通或快硬水泥 l0 2 0快硬高强水泥 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院二 学硕十学位论文 式中，f 为混凝土的龄期( 天) 。由于该式是根据具体工程得出的，没有考虑温度 的影响，是否适合于其它工程，有待于进一步研究。 c e b f i p ( 1 9 9 0 ) 模式规范【5 7 】给出的由2 8 天混凝土弹性模量推算出混凝土不 同龄期弹性模量的公式为： e 。( f ) = 屈( f ，) e 。 ( 2 2 5 ) 其中，e 。为2 8 天混凝土的弹性模量；鼠( f ，) 由式( 2 2 2 ) 计算而得a 对于混凝土和钢筋组成的钢筋混凝土构件，其破坏的形式与构件的受力性质 有关。当构件发生脆性破坏时，其抗力主要是决定构件混凝土的性能，而当构件 发生延性破坏时，其抗力主要是决定于受力钢筋的性能。 在本文第四章框架结构的施工期可靠度分析中，当考虑框架结构横梁的抗弯 破坏时，其2 8 天时抗力服从正态分布，统计参数k = 1 0 5 ，变异系数昧= 0 1 0 1 4 7 ， 其中 k = 鲁 ( 2 2 6 2 ) 式中：。为抗力平均值，r 。为抗力标准值。对于早龄期混凝土( 小于2 8 天) ， 以上说法仍然成立。 2 3 施工期的结构分析 结构分析是将结构上的荷载转化为结构构件内力或变形的过程。施工中的结 构固有的特点，使它的结构分析与使用中的结构分析有所不同。首先，结构从开 始建造到投入使用的过程是结构随时问增加而逐步“成长”的过程，在整个施工 过程中，任一时刻结构的形状、施工材料的性质以及所承受的荷载均随时间的变 化而连续变化。施工期的结构分析要以不断变化的这个时变结构为研究对象分析 其结构行为；其次，施工期任一时刻的结构都是由已建成部分结构构件( 如墙、 板、柱、梁等) 和临时支撑体系( 如模板、支撑和二次支撑等) 组成的临时承载 体系。如在高层现浇钢筋混凝土板柱体系结构施工中，新浇筑的楼板加载于支撑， 第1 6 页 国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 支撑又依次支在其下一层或数层已浇筑好的楼板上，以分担上层荷载。此时由板、 柱和模板、支撑所组成的临时承载体系与施工中支模方案有关。为了便于进行结 构分析，清楚地了解施工支模过程和荷载传递途径，下面介绍两种支模方案。 ： ：囤：匿噩i噩 甄： 照姥 址 。风l j it ( a ) 支模方案一( 两层模板支撑和一层二次支撑) 西 ：网：圈： ，l ，强，q # # ，蚺i 需职 噩； ： 11 1 ， 旮 # # # 端j 篇豁鬻 b ) 支模方案二( 两层模板支撑) 图2 3 两种不同的支模方案图示 支模方案一：配置两层模板支撑和一层二次支撑( ”，+ h ，= 2 + 1 ，式中n 。代 表支撑层数，n ，代表二次支撑层数) 。每一施工循环中分为三项基本作业：安 装一层支撑与模板，绑扎钢筋与浇筑混凝土；拆除相互连接的最底层的二次支 撑，拆除次层的模板和支撑：拆完次层的模板与支撑后，紧贴着楼板下设置二 次支撑，二次支撑开始设置时不承受任何荷载。这个支模方案的施工过程详见图 2 3 ( a ) 。( 图中只列出前十个施工步骤) ：在施工步骤l ，浇筑第一层楼板；经 过一个旌工周期进入施工步骤2 浇筑第二层楼板；在施： 步骤3 ，拆除第一层楼板 下的模板支撑，以备在第三层楼板浇筑时使用：在施工步骤4 紧贴着第一层楼板 下设置二次支撑；这样在第三个施工周期( 施工步骤5 ) 可以开始浇筑第三层模 板。施工步骤3 5 就表示一个施二 循环中的三项基本作业。 支模方案二；配置两层模板支撑( ”。+ n ，= 2 + 0 ，见2 3 ( b ) 每一个施工循环 中分为两项基本作业：安装一层支撑与模板，绑扎钢筋与浇筑混凝土；拆除 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 相互连接的最底层的的模板和支撑。 这两种方案是按照施工期结构的形状将施工过程划分为多个无明显变化的施 工阶段或施工步骤。从图中可以看到，在不同的施工步骤，施工期结构的形状有 明显的区别；不同的支模方案，结构的形状也不同。施工期的结构分析，就是按 照上述结构形状和材料性能的不断变化而进行的。 2 4 施工期结构安全性的有限元分析 2 4 1a n s y s 有限元分析软件简介 目前全球有7 0 以上的高校及研究单位采用a n s y s 作为分析软件。a n s y s 已成为世界范围内增长最快的c a e ( o o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ，简称c a e 。计 算机辅助工程分析) 软件，拥有数百家广大的中国用户群。a n s y s 的主要技术特点 如下：唯一能实现多场及多场耦合功能软件；唯一实现前后处理、分析求解及多 场分析统一数据库的大型f e a ( f i n i t ee l e m e n t sa n a l y s is ，简称f e a ，有限元分 析软件) ；融前后处理和分析求解于一身；强大的非线性分析功能：智能网格划分： 可与大多数的c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ，计算机辅助设计) 软件并有 接口；多层次多框架的产品系列；良好的用户开发环境。 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理 模块提供了一个强大的实体建模和网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模 型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分 析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦台 分析，可模拟多种物理介质的相互作用， 理模块可将彩色等值线显示、梯度显示、 具有灵敏度分析及优化分析能力；后处 矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显 示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结 果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟 工程中各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人到大型机的 多种计算机设备上。 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕+ 学位论文 同) 。单元的实常数由单元类型的特性决定的。如二维梁b e a m 3 单元的实常数有 面积( a r e a ) 、惯性矩( i z z ) 、高度( h e i g h t ) 、剪切变形常数( s h e a r z ) 、 初始应变( i s t r n ) 、和单位长度质量( a d d m a s ) 。桁架杆l i n k l 单元的实常 数则有面积( a r e a ) 和初始应变( i s t r n ) 。定义单元实常数时可使用r 族命令 ( r r m o d i f 等) 。在定义完单元类型和单元实常数后，还需要根据定义结构材 料的属性。根据应用范围不同材料特性有以下三种：1 线性和非线性。2 各向同性、 正交异性、各向同性。3 随温度变化和不随温度变化。本文所研究的结构构件的特 性主要是不随温度变化、各向同性的线性材料。它包括两个指标，分别是材料的 弹性模量( e x ) 和材料的泊松比( p r x y ) 。具体的命令形式可采用命令m p 。和 单元类型、实常数一样，每一组材料特性都有一个材料参考号，与材料特性组对 应的材料参考号表称为材料表。在一个分析中，可以有多个材料特性组，相应的 模型中有多种材料，a n s y s 通过独特的参考号来识别每个材料特性组。在定义单 元时，可以使用m a t 命令来指定合适的材料参考号。 在对具体问题进行有限元分析时，首先需要建立针对该问题的有限元模型。 a n s y s 提供了以下几种生成模型的方法：1 创建实体模型。2 直接生成模型3 输 入汁算机辅助设计( c a d ) 系统创建的模型。 利用实体建模，相对处理的数据较少，支持使用面和体及布尔运算，能进行 自适应网格划分，便于几何改进和单元类型变化，对于庞大或者是复杂的模型， 特别是对三维实体模型更合适，这些都是实体建模的优点。但是，实体建模有时 需要大量的c p u 时间，对于小型、简单的模型有时很烦琐，在特定的条件下还有 可能因程序不能生成有限元网格而导致建模失败。与之相对的，直接生成法对于 小型或简单的模型的生成比较方便，并且能使用户完全控制几何形状及每个节点 和单元的编号。框架结构施工的有限元建模属于较简单的模型，在本文中采用了 直接生成法。 直接生成是一种直接定义节点和单元的方法，尽管a n s y s 程序提供了许多方 便的命令用于节点和单元的拷贝、映像、缩放等操作，但是直接生成法的构造模 型可能是实体模型建模法构造同样模型的十倍数据量。由直接生成法生成的模型 严格按照节点和单元的顺序定义组集而成，即使节点、单元生成操作可交替进行， 单元必须在其节点全部生成后才能定义。 第2 0 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 加载 有限元分析的主要目的是检查结构或构件对一定载荷条件餐型蟛港。 壤i 磊耄黪毯矍f ，3 荔薹冀襄薹墓氢薹鋈囊蠢一季。羹a n s y s 娜猢谤j 五衅鼎型蒂像场 撼镭浯璀塌；鞴m 曩掌辐赫赫徘驺舔妊晶j 龠翅黼琳簖瓯潦鬲策灞雨罐： 治砸侔简鹃蓠鲋篓锄筒异哩，邕垂坚 盘塔如酊所姥鞋倦舔结等囊琴至 垮翱剐。a n s y s 弄戡羚蹦二阶矩方法) ，当考虑因素较多时，极限状态往往变得难以处理。 从可靠指标的几何意义中我们了解到可靠指标其实是标准化正态坐标系中坐 标原点到极限状态曲面的最短距离。那么，可靠指标计算就可以转化为一个求最 优值的问题。根据这一特点，我们可以采用最优化方法进行可靠度计算。采用最 优化方法求可靠指标，不用求任何函数的导数即可直接求得可靠指标，比较适应 于施工期内建筑结构可靠度问题。 所谓最优化，用数学语言来说，就是找出求个多变量函数的极值( 最大值 或最小值) 。最优化方法就是解决最优化问题的一种数值方法。结合最优化计算 原理，可靠指标的最优化计算主要解决两个问题：( 1 ) 如何将可靠度分析的一般 问题表示成最优化数学模型；( 2 ) 如何将数学模型尽快而可靠地求出最小值。 3 3 1建立优化方法求可靠指标的数学模型 从一般情况出发，设有胛个随机变量x 。，z ：，j 0 满足以下关系式，其形式为 z = g ( x t ，x 2 ，爿。) ( 33 1 ) 式中：函数g ( ) 称为功能函数( 或极限状态函数) ，z = 0 时的功能函数成为极限 状态方程。 可靠度指标即标准正态空问坐标系中，坐标原点到极限状态曲面上的最短距 离，亦即原点到极限状态曲 x 国防科学技术人学研究生院= ：i _ = 学硕士学位论文 后处理 完成计算后，可以通过a n s y s 的后处理器来查看计算机结果，a n s y s 带有 两个后处理器p o s t l 和p o s t 2 6 。 p o s t l 是通用后处理器，它可以查看整个模型或者选定部分模型在某一子步 ( 时间步) 的结果。使用这个后处理器可以查看轮廓线显示、变形形状、以及分 析结果的列表。p o s t l 处理器还提供其他的功能，包括误差估计、载荷工况的组 合、结果数据的计算和路径操作。如果我们想要通过命令行的形式了解所求结构 的节点或单元的求解数据可采用命令p r n s o l 和p r e s ( ) l 。 p 0 s t 2 6 是时间历程后处理器，用于查看模型特定点在所有时间步内的结果， 可获得结果数据对时间( 或频率) 的关系和列表。p o s t 2 6 的其他功能包括算术计 算和复数。 2 4 4 利用a n s y s 有限元模拟框架结构施工过程 同样都是结构静力分析，施工过程的结构与现役结构有很大的区别。现役的 结构属于时不变结构，而施工过程的结构则属于时变结构。随着时间的推移，施 工过程的结构处于一个不断的“生长”的过程，并且结构的支撑也在拆除、设置、 再拆除、再设置中使得结构在不断地更新。 钢筋混凝土框架结构的施工模拟计算要考虑钢筋混凝土( 柱或梁) 和钢( 钢 管支撑) 两种不同材料。考虑钢筋混凝土框架结构与钢管支撑的实际联接情况， 将钢筋混凝土结构简化为刚架，而钢管支撑则简化为链杆，这样得到的结构计算 简图是一组合结构，单元类型有两种，一种是刚架单元，另一种则是桁架单元。 由此可得平面框架施工阶段的计算简图如图2 5 ( a ) 所示。若我们直接采用图2 5 ( a ) 所示的结构进行计算，那么随着施工层数的不同，每次计算对于同一杆件的节点 编号和单元编号都不易统一，给有限元分析带来很多困难。 第2 3 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 图2 5 ( a 1图25 ( b ) 图2 5 平面框架的计算筒图 a a e a = 0 为了解决以上问题，a n s y s 在处理结构施工的问题上通过将计算简图进行改 进，提出图2 5 ( b ) 所示的计算简图。在具体的处理手段上则通过单元的生死控制来 实现。 如果模型中加入( 或删除) 材料，模型中相应的单元就“存在”( 或“消亡”) 。 单元生死选项就用于这种情况下杀死或重新激活选择的单元。要激活“单元死” 的效果，a n s y s 程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度矩阵 乘上一个很小的因子【e s t i f 】。因子缺省值为1 o e 一6 ，也可以设为其他值。死单元 的单元载荷将为0 ，从而不对载荷向量生效( 但仍然在单元的载荷列表中出现) 。 同样，死单元的质量、阻尼和其他类似参量也设为0 值。死单元的质量和能量将 不包括在模型的求解结果中。单元的应变在单元被“杀死”的同时也被设为o 。 与上面的过程相似，如果单元“出生”，并不是将其加到模型中，而是重新 激活它们。用户必须在p r e p 处理器中生成所有单元，包括后面要被激活的单元。 在求解器中不能生成新的单元，而只能对已有单元进行操作。要在求解过程中实 现“加入”一个单元的功能，应在p r e p 7 中生成该单元并将其“杀死”，然后在 合适的载荷步中重新激活它( 相当于加入一个单元) 。 当一个单元被重新激活时，其刚度、质量、单元载荷等将恢复其原始的数值。 重新激活单元没有应变记录。但是，初应变以实常数形式输入l i n k l 单元，不受 单元生死操作的影响。而且除非是打开了大变形选项( n l g e o m ，o n ) ，一些单 第2 4 页 国防科学技术人学研究生院：t ：学硕士学位论文 元类型将以它们以前的几何特性恢复( 大变形的效果打开有时用来得到合理的计 算效果) 。 在一些情况下，单元生死状态可以根据a n s y s 的计算结果来决定，如应变、 应力等。可以用e t a b l e 命令和e s e l 命令来确定选择的单元的相关数据，也可 以改变单元的状态。 在静态结构分析中使用单元生死特性，需要在s o l u t l 0 n 中完成以下操作： 1 定义第一个载荷步。 在第一个载荷步中，用户可利用命令a n t y p e ，s t a t i c 来确定分析类型；在 静态结构分析中，大变形效果应打开。可用命令n l g e o n ，o n 来实现；对于所有 的有单元生死转换的应用，在第一个载荷步中应设置牛顿一拉普森选项，因为程 序不能预知“杀死”单元的命令会出现在后面的载荷步中。可用命令n r o p t 来完 成该操作：杀死所有要进入后续载荷步中的单元，可用命令e l l 实现；不与任 何激活单元相连的节点将“漂移”，或具有浮动的自由度数值。在一些情况下， 用户可能想约束不被激活