施工加載計算方面的一些概念

趙變青

(太原市建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030002)

1 概述

對于建筑結(jié)構(gòu)的分析，一般是建立整個模型后，同時施加荷載來進(jìn)行分析的。但是施工過程有其客觀性:一般是從下而上順次施工(逆作法除外)，上部未施工部分剛度對下部結(jié)構(gòu)無影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力分布隨施工進(jìn)度變化并與一次加載存在很大的差別;荷載主要是重力荷載和施工施加荷載。而且隨著施工階段的不同，各個構(gòu)件的齡期也是不同的，因而構(gòu)件在彈性模量、材料強(qiáng)度等材料特性參數(shù)上也會存在階段性的差異，特別的表現(xiàn)在混凝土的徐變、收縮、強(qiáng)度后期增長以及PS鋼束松弛等。在施工階段和施工完成后，這些應(yīng)力和內(nèi)力是隨著時間變化的。

這個過程是客觀存在的，而且有別于常規(guī)設(shè)計時的正常使用狀態(tài);當(dāng)結(jié)構(gòu)體系隨施工階段變化時，最大內(nèi)力狀態(tài)極有可能發(fā)生在施工階段期間，其內(nèi)力狀態(tài)應(yīng)該引起設(shè)計人員的注意，并成為設(shè)計的一個部分，保證結(jié)構(gòu)在各個階段的安全和滿足正常使用。

下面就以簡單的平面框架為例子，限于篇幅僅就施工階段的軸向力、施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響作用加以說明，以期能引起設(shè)計人員對各種因素引起施工階段內(nèi)力的變化的注意。

2 施工荷載引起各豎向構(gòu)件不同的變形引發(fā)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力附加

考慮到抗側(cè)力需要，以及延性等的要求，內(nèi)側(cè)的、外側(cè)的和底層、上部的抗側(cè)力構(gòu)件截面往往不同，在豎向荷載作用下同一層的豎向構(gòu)件會產(chǎn)生不同的豎向變形，協(xié)調(diào)這些變形各個構(gòu)件會產(chǎn)生內(nèi)力分布;另外對于柱子和墻體等豎向剛度差異較大的構(gòu)件相鄰布置時，也會由于剛度的不均衡差異產(chǎn)生不同的變形;對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于混凝土的彈性系數(shù)在施工養(yǎng)護(hù)期間也是不斷變化的，也會導(dǎo)致不均衡的變形。建筑物的高度越大，這種差異會越明顯。這是設(shè)計需要考慮的施工過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

下面以一個平面框架為例，一次性加載來說明上述問題。采用的計算程序為SAP2000，圖1為對豎向框架柱的軸向剛度加以修正，模擬為無限剛度不考慮柱軸向變形下的彎矩圖;圖2為考慮軸向變形下的彎矩圖。其中一些節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力差別如圖1，圖2，表1所示。

從表1數(shù)據(jù)中可以看出來，考慮與不考慮豎向剛度影響差別可以達(dá)到40%以上。這種不協(xié)調(diào)的變形將會導(dǎo)致梁構(gòu)件上產(chǎn)生附加剪力和彎矩，并對與梁構(gòu)件相連的柱和其他的構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力的影響。值得指出的是，有時采取施工階段補(bǔ)正的做法，來保證層高相同，但是實際中這種變形的差異仍然是存在的，而且隨著上部結(jié)構(gòu)的施工這種誤差會累積。設(shè)計過程中如果無視這種誤差的存在，會過小的估計了構(gòu)件尤其是水平構(gòu)件的內(nèi)力，會埋下不安全的隱患。

圖1 不考慮柱軸向剛度（EA×105）

圖2 考慮柱軸向剛度（EA×10-2）

表1 不考慮剛度和考慮剛度的內(nèi)力差別

3 施工順序和加載順序引發(fā)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力附加

實際工程中的建筑任意層的施工階段包括自重荷載對于上一層的結(jié)構(gòu)是沒有影響的。比如說一個鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的施工，在某一層澆筑完柱、梁、板之后，經(jīng)過一定的養(yǎng)護(hù)期，再施工上一層結(jié)構(gòu)，這一層的在施工荷載下的變形基本已經(jīng)達(dá)到一定的程度。那么上一層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是幾乎不受下一層結(jié)構(gòu)施工荷載變形的影響的。但是，如果采用通常的設(shè)計計算方法，建立了整個模型，同時施加荷載，那么每一層都會對上一層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力的影響。這就與實際施工過程不符。考慮到實際的施工順序，實際是結(jié)構(gòu)剛度變化的過程，計算的結(jié)構(gòu)剛度矩陣式變化的，后一次計算以前一次計算的變形為基礎(chǔ)，實際上是一個非線性計算的過程。圖3通過一個平面框架來說明一次加載后的內(nèi)力和依實際施工順次加載的內(nèi)力的差別。分步加載和一次加載的內(nèi)力差別見表1。

從表2可以看出，比起一次性建模、加載結(jié)果，按照客觀的施工分析內(nèi)力有的相差兩倍之多。比如1節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩比一次加載的要大很多，主要原因就是在施工一層時未收到二層相應(yīng)豎向構(gòu)件的約束導(dǎo)致，也就是說一次加載1節(jié)點(diǎn)出的力是由一層、二層共同分擔(dān)的，而施工分步加載僅由一層處承擔(dān)所致。所以一般的分析方法計算的結(jié)果是存在誤差的。

圖3 加載結(jié)果

表2 分步加載和一次加載的差別

考慮到抗側(cè)力需要以及延性等的要求，內(nèi)側(cè)的、外側(cè)的和底層、上部的抗側(cè)力構(gòu)件截面往往不同，在豎向荷載作用下同一層的豎向構(gòu)件會產(chǎn)生不同的豎向變形，協(xié)調(diào)這些變形各個構(gòu)件會存在很大的內(nèi)力，尤其是大規(guī)模重力荷載作用下更為明顯;客觀的施工程序和結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化與一次加載存在很大的差異;施工加載計算方式可以使用順次加載計算、構(gòu)件拆除等方法，要符合客觀規(guī)律，如果不能滿足客觀的情況應(yīng)對計算結(jié)果判讀、修正到可以應(yīng)用的程度。施工階段計算是一個重要的步驟，應(yīng)加以重視。

[1]傅學(xué)怡.實用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[2]北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社，2000.