【《超高层悬挂钢结构变形与内力施工模拟分析案例》13000字】

超高层悬挂钢结构变形与内力施工模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15373超高层悬挂钢结构变形与内力施工模拟分析案例 表42，可知悬挂层楼板刚度对结构的竖向变形基本无影响；悬挑桁架顶、底层的楼板刚度仅对悬挑桁架竖向变形有所影响，对核心筒支撑柱及吊柱的竖向变形影响不大，变形情况符合悬挂结构的受力特点；若悬挑桁架顶、底全层楼板无刚度，悬挑桁架相对变形增加约18.3%，总变形增幅约6.5%。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s112塔楼剖面示意图a）原模型b）悬挂层楼板无刚度c）桁架层顶、底楼板无刚度图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s113塔楼4-4剖面变形形状示意图表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s12框体B5不同楼板刚度情况下各位置Z向变形Z向变形原模型（mm）悬挂层楼板无刚度（mm）桁架层顶、底楼板无刚度（mm）核心筒CFT柱变形31.2131.2131.21悬挑桁架相对变形23.0523.0527.26吊柱累计变形10.4310.4310.413节点总变形64.6564.6568.87对于悬挑外框体B3，取3-3剖面变形形状如REF_Ref70627780\h图414所示，在竖向荷载节点10处（对应吊柱D9、核心筒柱M1KZ1）在不同楼板刚度情况下Z向变形如REF_Ref70627769\h表43。可见同B5框体的变形情况，悬挂层楼板刚度对结构的竖向变形基本无影响；悬挑桁架顶、底层的楼板刚度对悬挑桁架竖向变形有一定影响，对核心筒支撑柱及吊柱的竖向变形影响不大；若悬挑桁架顶、底全层楼板无刚度，悬挑桁架相对变形增加约17.3%，总变形增幅约7.7%。a）原模型b）悬挂层楼板无刚度c）桁架层顶、底楼板无刚度图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s114塔楼3-3剖面变形形状示意图表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s13框体B3不同楼板刚度情况下各位置Z向变形Z向变形原模型（mm）悬挂层楼板无刚度（mm）桁架层顶、底楼板无刚度（mm）核心筒CFT柱变形29.3229.3229.31悬挑桁架相对变形33.1033.1038.82吊柱累计变形11.5711.5711.5710节点总变形73.9773.9779.67综上所述，悬挑外框体悬挂层楼板刚度对结构竖向变形影响不大；而各桁架层顶、底部楼板刚度对悬挑外框体的竖向变形影响较为明显。由于B5、B6桁架的相对变形均占悬挑结构底部节点总变形的比例不到一半，所以整个悬挑结构楼板对竖向变形有一定影响，但影响幅度可控。当悬挑外框体楼板开裂较为严重时，若悬挑桁架及吊柱的承载力能实际满足要求，竖向荷载的传递可得到保证。同时由于各悬挑桁架在临时支撑卸载前底层楼板主要受拉，顶层楼板主要受压；卸载后，底层楼板主要受压，顶层楼板主要受拉，因此实际施工过程中为尽可能避免楼板开裂影响，可以考虑桁架顶层楼板后浇，底层楼板卸载前浇筑。楼板浇筑过程悬挑外框体沉降分析本文实例项目的工程现场参考施工模拟中不同部位楼板刚度对竖向变形的影响情况分析，采取在支撑胎架卸载前先浇筑各悬挑外框体桁架层底层楼板，卸载后各框体自下而上逐步浇筑的楼板浇筑方案，具体浇筑流程如下REF_Ref70627824\h表44（其中B1-1表示浇筑悬挑外框体B1上第一层楼板，B1-10.1表示浇筑悬挑外框体B1桁架层第一层楼板），而B1-9、B2-9、B3-12分别为3个下部悬挑外框体桁架层底层楼板已于中部临时支撑及下部支撑胎架卸载前浇筑完成。针对3个不同的下悬挑外框体选取5个沉降观测点平面位置如REF_Ref70627799\h图415a）。按照现场实际工况及楼板浇筑顺序进一步精确调整模型模拟实际浇筑顺序所得的沉降模拟值与现场监测实测值进行对比如REF_Ref70627799\h图415b）、c）、d）、e）、f）所示，可以得出随着楼板自下而上浇筑实测数据和模拟数据沉降值均逐渐增大趋势，有部分施工步骤下沉降值有所回弹，如C1、C3、C5、C7观测点在步12、步13中出现沉降减小的情况，而C9依然呈现下降趋势，其主要原因在于步12、步13两个浇筑步骤均为浇筑B3框体楼板，楼板重量均施加在B3框体上，由于偏心弯矩对结构的作用，当B3在竖向荷载作用下下沉时，B1、B2会有不同程度的上挑，所以模拟和实测在B1、B2框体的测点沉降值均有一定程度上的减小。表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s14胎架拆除后下部悬挑外框体楼板浇筑顺序浇筑顺序悬挑外框体楼板编号1B1-1、B1-22B1-3、B2-13B1-4、B2-2、B3-14B1-5、B2-3、B3-25B1-6、B2-4、B3-36B2-5、B2-6、B3-4、B3-57B1-7、B2-7、B3-6、B1-88B1-10.1、B3-7、B2-89B1-10.2、B3-810B1-10.3、B2-10.1、B2-10.211B1-10.4、B2-10.3、B2-10.4、B3-912B3-10、B3-1113B3-13.1、B3-13.2、B3-13.3、B3-13.4a）沉降观测点平面位置布置图b）B3外框体C9沉降测点c）B1外框体C1沉降测点d）B1外框体C3沉降测点e）B2外框体C5沉降测点f）B2外框体C7沉降测点图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s115沉降观测点布置图及各点沉降实测与模拟值对比下面引入皮尔逊相关系数评价沉降实测值与模拟值施工步骤曲线的相关情况。计算公式如下： （4-1）式中X、Y为两个变量，而、表示两个变量的标准差，N表示变量取值的个数。根据实测沉降曲线及模拟数据相关性分析可以得到各观测点沉降模拟值与实测值施工步骤曲线的相关程度如下REF_Ref70627839\h表45，各测点的相关性系数>0.95，相关性程度较高，说明对楼板刚度模拟分析所得的浇筑顺序可为现场施工提供参考，也验证了有限元模型较为合理。表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s15各监测位置点实测与模拟值曲线相关系数测点位置实测曲线与模拟曲线皮尔逊相关系数C10.9529C30.9571C50.9546C70.9511C90.9704吊柱竖向变形探究悬挑外框相对于核心筒会产生一定挠度，而框体中的吊柱作为悬挑端传力构件，在临时支撑卸载后主要承受拉力作用，通过吊挂的方式承担下部楼层的重量，作为比较特殊的不落地竖向构件，其变形情况分析至关重要。在考虑混凝土楼板及装修荷载的条件下对结构进行全过程施工模拟计算，各悬挑外框体吊柱平面位置编号如REF_Ref70627910\h图416，以各吊柱的楼层节点在同楼层高度位置中最近的核心筒CFT柱节点为相对位移参照点，绘制各吊柱竖向相对位移随楼层变化情况如REF_Ref70627919\h图417所示。观察比较施工模拟后吊柱最终阶段的相对竖向位移，可以看出吊柱相对变形趋势为在高度层面自上而下相对位移逐渐增大，悬挑桁架层范围内的节点竖向相对位移增加缓慢，这是由于桁架层作为主要承力结构刚度大，构件截面尺寸大，且悬挑梁与核心筒柱通过全断面焊接连接节点刚度大，对悬挑端位移约束限制明显，故相对竖向位移小。桁架层以下悬挂标准层主要由吊柱承担重力层层向上传递，悬挂标准层吊柱截面尺寸均比桁架层小，刚度更小的情况导致相对位移较大，故每条吊柱变形曲线均有折点，实质为桁架层与悬挂层的分界节点，且折点两侧相对竖向位移曲线随楼层变化程度并不一致。同时，在桁架层和悬挂标准层区域各节点的相对竖向位移随着楼层高度的降低增大幅度较为均匀。下悬挑外框体最大相对竖向位移发生在B3框体D10吊柱的底端，最大值为74.02mm。同时，观察可知D9、D10吊柱相对竖向变形较为一致，由于B3悬挂标准层数量在下部3个悬挑框体中最多为11层，因而悬挂层范围的吊柱竖向荷载相对较大，吊柱的拉伸累计长度较多，同时其悬挑跨度大，导致D10吊柱相对竖向变形比其他框体更大。上部悬挑外框体最大竖向位移发生在B5框体的D7吊柱低端，最大值为98.13mm。D7相对竖向位移最大的原因主要在于B5框体在上部悬挑外框体中悬挂层数量最多为12层，吊柱承担重量较大，此外D7吊柱不仅悬挑跨度最大位于远端且不通过桁架层外伸钢梁与核心筒柱直接相连，故而对该位置控制较弱，相对竖向变形较大。D7吊柱属于挠度相对最大位置，施工过程中因对其特别注意。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s116吊柱平面位置编号图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s117吊柱节点相对竖向位移值通过吊柱施工过程中的竖向变形值，结合前文章节的预留量值计算方法可计算各悬挑外框体吊柱的预留调整量值，由于吊柱在结构施工完成后主要承受拉力，在荷载作用下吊柱会产生拉伸变形，因此在预先调整时需计算构成吊柱的钢材要做“短”的长度，即由原设计长度减去预调整量值便可得到吊柱构件的下料长度。最终将每层吊柱按调整后长度依次安装，即可完成悬挑外框体吊柱部分的施工预调整。经计算得出各悬挑外框体吊柱每层的预调整量值如REF_Ref70627949\h图418。a）B1-B4悬挑外框体吊柱b）B2-B5悬挑外框体吊柱c）B3-B6悬挑外框体吊柱图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s118各悬挑外框体吊柱预调整量从图中可知吊柱预调整量值在各悬挑框体处由高到低层逐渐减小，原因在于悬挑桁架相邻下一层位置处吊柱所受拉力在悬挂层逐层积累重量的情况下达到最大，其中上部吊柱最大预调整量为B5框体1.45mm，下部吊柱最大预调整量为B3框体1.43mm。悬挑外框体在重力作用下也会产生一定向下挠度，结合起挑位置处的竖向变形如不做预变形处理整个钢桁架在施工完成后将较大幅度偏离设计标高位置，因此需确定钢桁架的具体起拱值以指导现场施工安装时对悬挑构件进行预提升处理，使之在工程完工后的使用阶段基本恢复到设计标高位置。以B3为例进行框体预起拱提升量的分析，首先确定悬挑桁架的预调整量，如REF_Ref70627962\h图419所示，悬挑桁架节点的变形包括两个部分：一是随CFT柱的变形，二是自身产生的变形，悬挑端的预起拱提升量需补偿这两部分变形。依据节点2和节点1变形差可以得出桁架施工阶段的相对核心筒CFT变形为（即为自身变形产生的挠度），根据CFT柱的预调整量得到节点1位置需要提升的位移，则桁架悬挑端顶点节点2施工时的标高较原设计标高要高出。确定桁架顶点位置后，需要确定桁架立柱下料长度L。立柱的预调整量为扣除找平影响后节点2和节点3的变形差，立柱原设计高度为18000mm，则立柱下料长度L=18000-。这样即确定了悬挑桁架的施工预调整量。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s119B3悬挑桁架及吊柱施工预调整示意图考虑施工过程对结构内力影响探究CFT柱一次加载与施工步加载内力变化研究结构施工过程模拟不仅可以反映变形在施工阶段的变化也可以通过模拟得出较为贴合现场施工情况的内力变化特征，核心筒CFT柱作为整个结构的主要受力构件，应重点分析其考虑施工过程后的内力情况。在施工模拟分析的最终阶段，将CFT柱的内力沿着楼层高度的变化情况与一般分析中一次加载的内力情况进行比较。从高、中、低区中各选取部分CFT柱对全高范围内的轴力变化情况进行分析如REF_Ref72143657\h图420、REF_Ref71648468\h图421、REF_Ref70627981\h图422所示，两种分析情况变化规律较为一致，轴力随楼层高度减小，但受力大小仍有一定差别，其中与悬挑外框体桁架主斜撑直接相连的CFT柱受力差别相对较大，其考虑施工步骤的轴力要大于一次性加载情况下的轴力。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s120高区柱一次加载与施工步加载情况下CFT柱轴力对比高区柱H1KZ4在两种加载方式下轴力最大相差20.5%，平均相差12%，轴力分别在第17、19、35、37、39、42层有轴力突变情况，突变楼层均为与柱H1KZ4相连外框体B2、B3的桁架层最顶部及最底部楼层处或核心筒区域塔楼体型收进处，悬挂标准层的竖向荷载按最短路径传导在桁架层最底部往上会突然减少造成轴力突变；而39-42层仅有B6悬挑外框体存在对柱H1KZ4形成的拉力大于顶部压力荷载故轴力由压变拉，在42层以上由于没有悬挑框体桁架层作用下仅受压力荷载。中区柱M1KZ1在两种加载方式下轴力最大相差16.7%，平均相差10%，轴力分别在第21、38层处由于位于B3、B6桁架层底层而有突变。低区柱L1KZ18在两种加载方式下轴力最大相差14.5%，平均相差11.2%，且轴力分别在第15、30层处由于位于B1、B4桁架层底层而有突变。分析可知，与悬挑外框体直接相连的外围CFT柱轴力在考虑施工步的情况下与一次性加载轴力差别均大于10%，偏差相对较大需重点关注。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s121中区柱一次加载与施工步加载情况下CFT柱轴力对比图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s122低区柱一次加载与施工步加载情况下CFT柱轴力对比悬挑外框体关键构件施工过程内力变化研究悬挑外框体由于采用临时支撑体系进行安装，其在整个施工过程中历经不同部位临时支撑的拆除卸载会导致结构内力发生重分布，构件受力性质也可能发生改变，而关键构件的受力转换及受力水平在结构中需要特别注意，本小节将重点分析悬挑外框体关键构件在整个施工过程中的内力变化。选取B1、B3、B4、B6悬挑外框体桁架层腹杆、弦杆及其相邻下一悬挂标准层的吊柱等关键构件研究其内力在施工阶段的变化过程，将整个施工流程分为63个施工步进行模拟，其中关键施工步骤节点如下：1）步46：中部支撑钢管卸载2）步47：下部支撑胎架卸载3）步48-50：下部悬挑外框体楼板浇筑4）步55-60：上部临时桁架层卸载5）步61-63：上部悬挑外框体楼板浇筑如REF_Ref70628006\h图423所示各关键构件在相同施工步骤下轴力变化曲线图。其中B1、B3在开始安装至步46前受力水平处于较小状态，当中部及下部临时支撑卸载时轴力发生突变，而步48-50为下悬挑外框体楼层浇筑，在此期间B1、B3各关键构件受力水平逐渐增大；B1斜撑由卸载前拉力较小，卸载后拉力逐渐增大，吊柱由卸载前受压转变为卸载后受拉且拉力随后逐渐增大。B3斜撑卸载前受压，卸载后压力逐步增大；桁架层竖腹杆及吊柱卸载前受压卸载后转换为受拉状态且拉力逐步增大；桁架层上弦杆卸载前处于低拉力水平，卸载后拉力逐步增大。B1、B3关键构件均在下悬挑外框体楼板浇筑完成后受力状态趋于平稳不再发生较大波动。 B2、B4关键构件安装完成后在步55前处于低水平受力状态，当临时桁架层开始逐步卸载时受力水平逐渐增大，至步61-63上部悬挑外框体楼板浇筑阶段时轴力发生较大改变，受力性质转换情况与B1、B3类似。从分析中，可以得出悬挑外框体在临时支撑卸载及楼板浇筑阶段受力水平急剧上升，现场施工过程中在相应阶段需重点监测跟踪其内力变化情况。a）B1框体关键构件轴力变化b）B4框体关键构件轴力变化c）B3框体关键构件轴力变化d）B6框体关键构件轴力变化图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s123部分悬挑外框体关键构件施工过程内力变化小结本章主要以某超高层框架支撑筒悬挂钢结构项目为例，首先介绍了结构的施工路径，从而分析研究了施工过程中各方面因素对核心筒CFT柱竖向变形的影响及施工阶段CFT柱的水平变形情况，并探讨了楼板刚度对悬挑外框体竖向变形的影响及吊柱在施工阶段的变形特征，进一步得到预变形调整量。此外还分析了施工过程中结构关键构件的内力变化情况。本章得到以下结论：（1）本文实例框架支撑筒悬挂结构按正向施工时整体结构按区域可以划分为主结构核心筒区域与悬挑框体区域，悬挑外框体在受力桁架安装完成后方可按合理顺序拆除各临时支撑。（2）当只施工核心筒区域时，CFT柱累计竖向变形沿高度方向呈现典型的顶、底部