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1、第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年 钢桁架转换层施工过程的仿真分析 秦从律【1 1 贺明卫【2 1 周建炉【1 1 肖建宝【3 】 ( I 浙江大学建筑设计研究院，3 1 0 0 2 72 深堋市华森建筑设计公司，5 1 8 0 6 73 浙江省电力公司，3 1 0 0 0 7 ) 提要：本文对浙江电力调度大楼钢桁架转换层的整个施工过程进行了模拟，对两种施工方式下钢桁架的 受力进行了详细的对比分析，得出了钢桁架转换层在施工过程中的些响应规律，为大跨度钢桁架转换层 的设计与旌工提供了计算依据。 关麓淘：钢桁架；转换层；旄工模拟。 1 引言 随着高层建筑的迅速发展，建筑功能要求
2、的日益复杂化，结构设计出现了许多高难的 技术问题，这就要求结构工程师在确保结构安全的前提下，不断探索新的设计方法，合理 解决技术难题，使建筑师的作品最大限度地得以实现。 浙江电力调度大楼工程，地处杭州，为型钢混凝土框架一剪力墙结构体系，地下3 层， 地上1 5 层，地面以上总高度6 5 4 m ，6 度抗震。该工程因建筑功能需要，在房屋西立面第 9 层沿A 、B 、C 轴设有3 榀转换钢桁架，桁架高度为8 O m ，其上承托5 层钢筋混凝土框架 结构，桁架立面布置如图1 所示，建筑整体效果如图2 所示。该转换钢桁架属高位转换， 且跨度较大，桁架1 单跨5 0 9 m ，桁架2 、3 均在1 5
3、 轴设中间支座，单跨跨度4 0 O m 。在整 个施工过程中，如果各种影响因素( 特别是钢桁架的端部约束方式) 考虑不周，将会导致 钢桁架端部混凝土简体受力过大，对抗震不利。可以通过施工过程控制，充分利用钢桁架 构件受力性能好的特点，使其承担较多的荷载作用，从而调整支座混凝土简体的受力状态， 减小筒体上的荷载作用，使整个结构体系的受力更为合理。本文将对钢桁架转换层的施工 过程及各阶段受力特点进行全过程分析， 为工程设计提供理论依据。 2 施工过程模拟 为研究在不同的支座约束情况下钢 桁架的受力和变形性能，以下对钢桁架在 两种情况下的受力进行分析： 阢Q 似 桁架l 膏盲 百 1 | 1I丽 I
4、 ；X 湫羽l 桁j I 盯|8 I e e 面 罾E l i r i G 丽H 舞 删 僦孀必凶焱 盯。e 。P , 2 I 。叫E 2 | 。F ? I“。H 2 ：8 m ；刖 图1 钢桁架1 ( C 轴) 、2 ( B 轴) 、3 ( A 轴) 立面布置图 秦从律，男，1 9 6 2 1 2 出生，高级工程师，主任工程师 1 5 1 桁架3 第十八届全翻高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年 工况1 ：在施工阶段中，桁架吊装并安装完毕后，将桁架的端部与混凝土结构完全封 闭形成固接，共同承担施工阶段的施工荷载和使用阶段豹使用荷载。在施工直至使用整个 过程，桁架端部按固接考虑。 工况2
5、 ：在施工阶段，桁架吊装并安装完毕后，桁架端部混凝土暂不浇注，使其可以 自由变形，不受任何的约束；在浇注桁架上部框架时，在跨中部位预留后浇带，免除桁架 与上部混凝土框架的整体作用效应：上部结构全都施工完成后，再封闭钢桁架端部混凝主 并浇注后浇带，使钢桁架与混凝土结构形成整体，共同抵御使用阶段的荷载作用。在施工 阶段，钢桁架两端可以自由转动和水平滑动，而在使用阶段钢桁架两端圈接。 图2 浙江电力调度大楼建筑效果图 通过对这两种不同约束情况下的施工过程进行对比分析，考察相应的钢桁架端部混凝 土结构与钢桁架之间的相互作用和变形，从而选择一个对钢桁架与端部混凝土结构受力及 变形较为有利的约束方式。 王
6、况1 的施工顺序：吊装并安装钢桁架浇注混凝土楼板并封闭混凝土端部浇 注上部楼层桁架与混凝土结构共同承担使用荷载。 工况2 的施工顺序：吊装并安装钢桁架桁架端部混凝土暂不浇注浇注桁架上 1 5 2 第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年 部混凝主框架，并在跨中部位预留后浇带上部楼层全部旖工完毕后，封闭桁架端部， 并浇注后浇带桁架与混凝土结构共同承担使用荷载。 本文使用美国C S I 公司的通用结构分析软件S A P 2 0 0 0 非线性版本，对上述琢种不同的 施工过程进行了全过程的模拟分析。有限元分析模型中，墙体和楼板采用S h e l l 单元、梁和 柱采用F r a m e
7、 单元进行模拟。结构中的荷载施加分为两个阶段：第一阶段为构件自重十施：1 1 荷载，对应于建筑结构的施工阶段；第二阶段为扣除第一阶段荷载盾作用于结构体系中的 恒载+ 活载的设计值，对应于建筑结构的使用阶段。 3 桁架变形分析 由计算结果，在使用阶段，工况l 桁架的最大位移为2 1 5 m m ，工况2 桁架的最大位移 为2 6 8 r a m 。桁架之间的位移差值如图3 所示，由于桁架1 的跨度比桁架2 的单跨跨度大， 所以桁架l 的竖向位移比桁架2 大，桁架l 、2 之闻的竖向位移差值最大；丽桁架2 和桁架 3 单跨跨度相同，位移差值较小。 3 苫 涌2 簿 氆 j 峻 ( a ) 桁架l
8、、2 上弦位移差 1 0l l1 21 31 41 51 6 轴缱 ( c ) 桁架2 、3 上弦位移差 l O1 l1 21 31 41 5 轴线 ( b ) 桁架l 、2 下弦位移差 OI l1 21 31 41 51 6 轴技 ( d ) 桁架2 、3 下弦位移差 图3 各榀桁架闻位移差 1 5 3 H 住 柏 o e 。 o o(薯曩)|耩翠 t 善螂蹲牵 第十八届全鼹高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年 从图3 看出，由于桁架1 没有中问支承，桁架1 和桁架2 之间对应于桁架2 的支承点 F 处( 见图1 ) 的位移差值最大，工况2 的最大位移差为1 3 I m m ；丽工况1
9、 的最大位移差 为1 0 O m m 。跨中部位的位移差值较大，两端的差值最小。 一 对于工况2 ，在施工阶段，由于钢桁架端部可 ；乏自由变形，桁架端部变形基本没有受 到约束，故变形比工况l 大，而且桁架之闯的位移差也比工况l 大，在设计时应当引起足 够的重视，避免桁架之间产生较大的位移差值，造成钢桁架平面外整体扭转及楼板的附加 应力增加过大。 4 桁架内力分析 从内力的计算结果可以看出，在两种不同工况下各榀桁架的受力情况总体趋势相同， 如图4 所示。在桁架端部的弦杆产生最大的负弯矩，跨中部分的弦杆产生最大的正弯矩； 上弦杆跨中部位承受最大的轴向压力，沿着桁架两端逐渐变小，端部弦杆承受轴向拉力
10、； 下弦杆跨中部位承受最大的轴向拉力，沿着桁架两端逐渐变小，端部弦杆承受轴向压力； 斜腹杆跨中部位的轴力最小，沿着桁架两端逐渐变大，且轴力都是以拉压交替的。 桁架弯矩图 图4 桁架内力图 桁桨轴力图 从整体上看，桁架l 上所承受的轴力最大，桁架2 次之，桁架3 最小；对于弦杆，桁 架1 上所承受的弯矩最小，桁架2 较大，桁架3 最大。由于桁架3 的情况基本与桁架2 相 同，文中将只对桁架l 和桁架2 的结构受力情况进行分析，所选择的两个阶段为： 阶段l ：上部楼层全部施工完毕； 阶段l I ：共同承担使用荷载。 表l 、表2 分别列出了桁架弦杆轴力和斜羧杆轴力在两种工况下的计算结果，构件选 择
11、受力较大的跨中位置弦杆和端部腹杆。 1 5 4 第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年 表1 弦杆轴力( 单位：K S ) 桁架l 桁架2 杆件 工况l工况2工况l工况2 阶段I阶段l I阶段I阶段玎阶段I阶段J I阶段I 阶段l I C- 2 7 0 9 4 43 翮1 4 7 3- 3 4 4 4 0 2- 4 3 3 9 0 72 0 l S 僻2 8 1 7 3 0- 2 0 9 8 6 82 8 9 9 5 9 C D 上D- 2 2 4 0 7 12 蜘：9 4 0- 4 5 0 2 7 4 5 2 5 1 8 2 - 1 9 2 7 4 6 2 8 0 4 4 7
12、4 7 5 0 懿。5 6 2 8 2 4 弦 D21 4 0 8 5- 2 8 3 2 7 94 3 6 0 5 65 0 5 2 6 41 0 6 4 0 2- 1 4 5 2 9 3- 3 1 9 4 7 9- 3 5 8 5 3 2 D E E- 2 5 8 0 2 23 3 9 7 5 03 3 0 4 4 04 1 2 0 8 81 9 5 4 7 12 8 4 3 4 31 9 0 5 2 92 7 9 6 7 l C 22 0 9 6 7 72 9 9 9 9 23 8 3 0 4 54 7 5 0 2 01 6 0 1 1 52 3 8 5 2 22 3 6 2 1 43 1
13、 5 9 1 0 C 2 D 2 下 D 2 1 8 7 3 6 82 6 4 6 3 03 5 8 4 4 l4 3 7 2 9 21 6 能3 52 4 7 6 。6 22 4 7 6 7 73 2 9 9 1 4 弦D 21 7 3 8 7 82 4 3 7 9 43 4 3 3 6 04 1 4 7 1 68 2 9 1 71 2 1 8 8 51 3 跖3 71 7 8 4 2 3 D 2 E 2 E 21 9 2 9 5 32 7 5 5 3 l3 6 1 6 9 94 4 5 7 1 51 4 4 8 7 02 2 7 5 7 42 0 4 1 2 5 2 8 7 8 5 4 表
14、2 斜腹杆轴力( 单位：翻) 桁架l桁架2 杆件工况l 工况2工况l工况2 阶段I阶段l I阶段l阶段I l阶段I阶段I l阶段l阶段I l A B 22 6 9 3 3 04 0 0 7 O l2 7 6 7 0 54 1 1 7 7 82 9 2 7 7 24 7 5 6 3 22 8 2 5 5 34 6 9 2 1 8 B A 23 7 8 4 1 3- 5 5 8 6 7 4- 3 7 1 1 4 85 5 1 3 5 54 1 7 3 9 0- 6 6 8 0 9 0- 4 0 3 4 7 5- 6 5 3 9 8 4 B C 21 5 8 8 3 42 3 2 6 0 51 5
15、5 7 1 62 2 9 4 4 01 2 6 3 5 82 0 3 1 6 ll l l 2 6 91 8 7 9 3 9 C B 2- 2 3 6 4 7 2 3 5 3 5 6 1 _ 2 2 9 5 2 33 4 5 8 8 82 4 3 0 1 2 - 3 9 2 0 8 52 2 0 4 ，9 43 6 8 4 8 2 由表l 中的数据显示，对于工况2 ，由于在阶段I 钢桁架承担了大部分的荷载，两个阶 段桁架弦杆的轴力均较大。而从表2 的数据显示，两种不同的工况下的斜腹杆轴力差别很 小，这说明不同工况桁架端部约束条件对斜腹杆受力的影响较小。在分析过程中发现，不 同工况的约束条件对桁
16、架弦杆弯矩的影响也较小( 弯矩分析结果未列出) 。 从总体上看，工况2 情形桁架构件的受力较大。这是因为在工况2 的整个施工阶段I ， 桁架及其端部混凝土结构没有共同承担外荷作用，且桁架上部框架设置后浇带削弱了上部 框架的刚度，从而导致转换桁架基本上单独承担上部结构传递下来的全部荷载作用。同时， 在这个阶段，端部混凝土结构除承受支座压力外，基本没有参与分担其他荷载作用，在施 工阶段结束并封闭桁架端部混凝土和后浇带后，在使用阶段钢桁架才与端部混凝土结构共 同承担外部荷载作用。但是由于大部分荷载在施工阶段已经施加完毕，所以端部混凝土结 构所承担的外部作用较小。而对于_ I 况l 的情形，在整个施工过程中桁架与端部混凝土结 构
