Midas超高层结构施工模拟

超高层结构施工模拟技术中心建筑技术部梁丽娉1我们为什么要做施工模拟规范对施工模拟分析的要求Gen施工模拟分析流程施工模拟分析的意义施工模拟的控制目标1施工模拟分析的意义大型超高层结构通常具有高、重等突出特点和共性；而最近十几年，大型超高层结构又呈现出斜、扭、悬等更多特异性特点。1施工模拟分析的意义大型超高层钢结构通常具有高、重等突出特点和共性；而最近十几年，大型超高钢结构又呈现出斜、扭、悬等更多特异性特点。1施工模拟分析的意义施工阶段考虑与否对结构内力的影响对框筒结构：•

竖向构件的荷载分配（刚度=>竖向荷载分配=>轴力）•

一次性加载=>竖向构件变形差大=>梁两侧弯矩变化；1施工模拟分析的意义①超高层建筑

逐层施工逐层加载的模拟：竖向构件轴压比、梁内力(竖向沉降差引起的)

伸臂桁架：后闭合的模拟

框筒结构：先施工内筒再施工外筒的模拟

SRC结构：先施工钢结构再浇筑混凝土的模拟②③④钢结构网架：吊装及拆除支架顺序对网架内力的影响预应力结构：分阶段张拉的效应和预应力损失基坑支护：施工过程中内力变化较大⑤

超厚楼板或筏板：分层浇筑的水化热分析⑥

超长楼板：分块浇筑(变形缝、后浇带、跳仓法)的水化热分析2规范对施工模拟分析的要求①3.11.4(2)复杂结构应进行施工模拟分析，应以施工全过程完成后的内力为弹塑性分析的初始状态。②5.1.9高层建筑结构在进行重力荷载作用效应分析时，柱、墙、斜撑等构件的轴向变形宜采用适当的计算模型考虑施工过程的影响；复杂高层建筑及房屋高度大于150m的其他高层建筑结构，应考虑施工过程的影响。复杂结构：带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构以及竖向体型收进、立面开洞结构、多塔楼结构、悬挑结构。③13.1.4条文说明高层建筑施工过程中，不同的施工方法可能对结构的受力产生不同的影响，某些施工工况下甚至与设计计算工况存在较大不同；大型机械设备使用量大，且多数要与结构连接并对结构受力产生影响；超高层建筑高空施工时的温度、风力等自然条件与天气预报和地面环境也会有较大差异。因此，应根据有关情况进行必要的施工模拟、计算。2规范对施工模拟分析的要求④混合结构11.3.3竖向荷载作用计算时，宜考虑钢柱、型钢混凝土(钢管混凝土)柱与钢筋混凝土核心筒竖向变形差异引起的结构附加内力，计算竖向变形差异时宜考虑混凝土收缩、徐变、沉降及施工调整等因素的影响。•条文说明：外柱与内筒的竖向变形差异宜根据实际的施工工况进行计算。在施工阶段，宜考虑施工过程中已对这些差异的逐层进行调整的有利因素，也可考虑采取外伸臂桁架延迟封闭、楼面梁与外周柱及内筒体采用铰接等措施减小差异变形的影响。在伸臂桁架永久封闭以后，后期的差异变形会对伸臂桁架或楼面梁产生附加内力，伸臂桁架及楼面梁的设计时应考虑这些不利影响。11.3.4当混凝土筒体先于外围框架结构施工时，应考虑施工阶段混凝土筒体在风力及其他荷载作用下的不利受力状态；应验算在浇筑混凝土之前外围型钢结构在施工荷载及可能的风载作用下的承载力、稳定及变形，并据此确定钢结构安装与浇筑楼层混凝土的间隔层数。2规范对施工模拟分析的要求④

混合结构

13.10.5核心筒应先于钢框架或型钢混凝土框架施工，高差宜控制在4～8层，并应满足施工工序的穿插要求。

13.10.6型钢混凝土竖向构件应按照钢结构、钢筋、模板、混凝土的顺序组织施工，型钢安装应先于混凝土施工至少一个安装节。

13.107钢框架-钢筋混凝土筒体结构施工时，应考虑内外结构的竖向变形差异控制.3施工模拟的控制目标整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆）结构构件疲劳或塑性破坏结构转变为机动体系正常使用极限状态承载能力极限状态结构或结构构件丧失稳定（如压屈）平面位置标高层高裂缝位移垂直度3施工模拟的控制目标施工模拟的要点基础沉降的影响结构的变化温度变化的影响施工模拟的要点荷载的变化收缩、徐变的影响边界约束的变化4Gen施工模拟分析流程1.结构、荷载、边界的变化-定义组

根据施工阶段定义相应的结构组、边界组和荷载组；

除用于施工阶段分析以外，在一般分析中也可以定义结构组，方便对多个构件的统一编辑以及结果查看。

在定义组阻尼比时也会用到结构组和边界组；4Gen施工模拟分析流程1.结构、荷载、约束的变化-定义结构组

可利用拖放功能分配结构组；

充分利用各种选择功能；按属性激活（ctrl+D），方向选择过滤器等；4Gen施工模拟分析流程1.结构、荷载、约束的变化-定义荷载组和边界组

定义方法同一般分析，唯一不同是需要选择荷载组名称或边界组名称；若选择了默认组，则在施工阶段分析中不能被激活；只能作为施工阶段结束之后的荷载或边界条件；4Gen施工模拟分析流程1.结构、荷载、约束的变化注意事项荷载类型：在施工阶段加载的荷载，除了收缩、徐变、预应力荷载之外都要定义为施工阶段荷载(CS)自重属于施工阶段恒载的范畴；施工阶段分析时，自重应定义在第一个施工阶段的荷载组中，其他施工阶段程序会自动读取。4Gen施工模拟分析流程1.结构、荷载、约束的变化菜单：荷载->施工阶段->定义施工阶段

通过结构组、荷载组、边界的激活、钝化实现添加子步骤：输入子步骤持续时间；同一施工阶段结构和边界条件相同，但各子步骤加载时间可以不同。

材龄：施工阶段开始时，结构组已经具备的材龄。一般为从混凝土浇筑到拆除脚手架，结构开始工作的时间。4Gen施工模拟分析流程1.结构、荷载、约束的变化“变形前”与“变形后”表示支承点的位置，仅对于边界条件中的“一般支承”起作用，对其它类型的边界条件不起作用。

支承条件/弹性支撑位置变形前：边界条件应用到变形前的位置；若结构已发生变形，相当于先施加一到初始位置的强制位移；变形后：边界条件应用到变形后的位置；4Gen施工模拟分析流程2.收缩、徐变的定义

瞬时变形：施加荷载时立即产生的变形，是一个时间点的变形，并且保持不变。

收缩：混凝土在空气中硬化时由于水分散发而引起的收缩变形；

徐变：无附加应力情况下产生的变形；4Gen施工模拟分析流程2.收缩、徐变的定义-按照规范•

中国规范：公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62-2004）•

输入强度值为标号强度；该强度用于计算徐变系数•构件的理论厚度可先假定此值，后边由程序自动计算；•

水泥种类系数：对一般硅酸盐水泥，取为5.0；•

开始收缩时的混凝土材龄：浇筑后混凝土开始收缩的时间，可假定为3~7d。4Gen施工模拟分析流程2.收缩、徐变的定义-自动计算构件理论厚度注意：1.

钢管混凝土因为混凝土不与大气接触，其理论厚度要手动指定为较大值。或单独定义函数，在函数中的理论厚度输入较大值。2.

不适用于施工阶段联合截面。4Gen施工模拟分析流程2.收缩、徐变的定义-用户自定义徐变函数收缩函数4Gen施工模拟分析流程2.收缩、徐变的定义-用户自定义徐变函数柔度函数：在不变的单位应力作用下的应变（包含瞬时弹性应变)。徐变度：在不变的单位应力作用下的应变(不包含瞬时弹性应变)。徐变系数：徐变度与弹性模量之比。4Gen施工模拟分析流程2.收缩、徐变的定义注意：•

目前还没加入中国规范，包括美国，欧洲，日本，韩国等规范。•

定义了混凝土强度变化函数时，一定要注意在施工阶段中激活该构件时的材龄，材龄过小时其强度过小会引起计算不收敛。4Gen施工模拟分析流程2.收缩、徐变的定义-时间依存性材料连接•

将时间依存性材料特性赋给之前定义的一般材料选择之前定义的收缩徐变特性及强度进展特性；选择要赋予的材料；点击“添加”4Gen施工模拟分析流程3.构件温度变化的影响-季节温差(升温或降温)注意：在施工阶段中施加温度荷载时，注意要定义为施工阶段荷载(CS)类型，风荷载也一样。计算温差仅与最高温度、最低温度和初始温度有关。4Gen施工模拟分析流程4.基础沉降的影响•

由于地基不均匀或者上部结构荷载差异较大等原因，都会使建筑物产生不均匀沉降，当不均匀沉降超过容许限度，将会使建筑物开裂、损坏，甚至带来严重危害。对于框架一核心筒结构，中部核心筒沉降量大，周边框架沉降量小，基础底板呈锅底形弯曲，下部受拉，上部受压，不均匀沉降可能导致建筑物整体倾斜变形。•

近年来地基基础与上部结构共同作用分析方法已经取得了一定的进展，但在结构设计中，由于技术的复杂性与影响因素的多样性，能够考虑基础不均匀沉降的模拟计算尚难以实现。4Gen施工模拟分析流程5.施工阶段分析控制

最终施工阶段：选择用哪个施工阶段的结果与其他荷载工况(如地震、风荷载等)进行组合。从施工阶段分析结果的恒荷载中分离出的荷载工况施工阶段的分析结果，除收缩徐变和预应力松弛外，都保存在CS：恒荷载下；在此将特定工况结果从CS：恒荷载中分离出来，保存在CS：活荷载下；荷载组合时，施工阶段活载采用与使用阶段活载相同的组合系数；4Gen施工模拟分析流程5.施工阶段分析控制

CS恒荷载：做施工阶段分析时程序内部把施工阶段施加的所有荷载，在分析结果中都归结为CS恒荷载。

CS施工荷载：如果需要查看施工过程中某些荷载（如吊车荷载、风荷载）对结构的影响的话，需要在分析之前，在“分析-分析控制-施工阶段分析控制数据”对话框下，对该荷载从分析结果中的CS恒荷载中分离出来。

CS合计：CS恒荷载+CS施工荷载+钢束、收缩、徐变等荷载的合计。

postCS：最终施工阶段。对于与其它成桥后作用的荷载进行荷载组合，须在postCS中进行。4Gen施工模拟分析流程5.施工阶段分析控制

累加模型：每个施工阶段分析时，均继承上个施工阶段的内力和位移作为初始状态，同时激活当前施工阶段的单元，荷载和边界条件进行分析；可以考虑混凝土的收缩徐变；

独立模型：不考虑之前阶段的结果，应用该阶段及之前的所有单元，荷载和边界条件进行分析；主要用于大变形等几何非线性分析；4Gen施工模拟分析流程7.施工阶段分析结果CS1~CS2：选择要查看

的施工阶段Min/Max是输出所

有

施

工阶段中的最小\最大值PostCS为建成阶段，用于查看建成阶段施加的荷载结果。4Gen施工模拟分析流程6.施工阶段结果作为弹塑性分析初始内力状态静力弹塑性分析动力弹塑性分析4Gen施工模拟分析流程8.施工阶段分析结果与其他荷载工况的组合如果要用于设计，需要将施工阶段的荷载与活荷载、风荷载、地震作用进行组合。可在自动生成荷载组合中选择“ST+CS”的组合方式。4Gen施工模拟分析流程9.施工阶段分析结果-施工阶段柱弹性收缩图形结果->施工阶段柱弹性收缩图形Elastic:弹性变形；Creep:因为徐变引起的变形；Shrinkage:因为收缩引起的变形；Total:弹性收缩+徐变+收缩变形之和；Uptocasting:下层荷载引起的本层竖向位移；用于施工中抄平；Subtocasting:本层+以上层荷载引起的本层竖向位移；施工阶段的真实结果，可用于确定预留高度；Total:

Up

to

+Subto;

与一般分析结果相同；94号柱变形94号柱变形节点位移楼层变形层高的误差小于±l0mm，全高误差小于±30mm4Gen施工模拟分析流程10.施工阶段分析结果

考虑徐变时，柱变形会增加近2倍

对比考虑和未考虑施工阶段、考虑和未考虑收缩徐变的结果

主要查看结果•

竖向构件轴力：用于计算轴压比。•

外框柱与筒的竖向变形差：对框架梁的弯矩影响•

构件其他内力•

竖向变形：用于各施工阶段中预留高度•……4Gen施工模拟分析流程步骤CS1核心筒

外框架步骤CS13CS14CS15CS16CS17CS18CS19CS20CS21CS22CS23CS24核心筒

外框架F37~39

F31~F33F40~42

F34~36F43~45

F37~39F46~48

F40~42F49~51

F43~45F52~54

F46~48F55~57

F49~51F58~60

F52~54F61~63

F55~57F64~66

F58~60F61~63F1~3F4~6CS2CS3F7~9F1~3CS4F10~12

F4~6CS5F13~15

F7~9CS6F16~18

F10~12F19~21

F13~15F22~24

F16~18F25~27

F19~21F28~30

F22~24F331~F3

F25~27F34~36

F28~30CS7CS8CS9CS10CS11CS12F64~66常见问题

柱子是钢管混凝土柱，如何实现钢管对混凝土的约束作用

把预应力定义为施工阶段荷载，那么成桥后预应力不会发生作用吗？

对于施工阶段柱弹性收缩变形，如何考虑施工逐层找平和逐段找平？得出曲线结果。

型钢混凝土，钢管混凝土这