钢筋混凝土结构施工期间竖向荷载传递分析的近似法.pdf
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1、第 3 7卷 第 1 2 期 建筑结 构 2 0 0 7年 1 2月 钢筋混凝土结构施工期间竖向荷载传递分析的近似法* 丛术平 梁书亭 ( 东南大学土木工程学院南京 2 1 0 0 9 6 ) 提 要 施工 期间钢 筋混凝 土结 构的承 力体系 是 由低 龄期 的混 凝 土构件 和模 板 支撑 系统组 成 。 目前 , 采 用有 限元方法和简化方法来计算竖向荷载在混凝土构件和模板支撑间的分布。在有限元方法 和简化方法 的基础 上 , 提出一种近似计算方法。根据施工过程 , 确定一些基本结构 , 通过有限元方法计算 出基本结构中竖向荷载 在混凝土构件和模板支撑间的分配系数, 然后按照施工过程进行
2、分析 , 能够简便地计算出施工期间混凝土构 件和模板支撑所承受的荷载。 关键词 钢筋混凝土结构 施工阶段 荷载传递 近似方法 基本结构 Appr o xi mat e M e t ho d o f Ve i c a l Lo a d Di s t r i bu t i o n Ana l y s i s of Re i n f or c e d Co nc r e t e St r u c t ur e s Du r i ng Con s t r uc t i o n C o n g S h u p i n g ,L i a n g S h u t i n g( C o l l e g e o
3、 f C i v i l E n g i n e e ri n g ,S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ,N a mi n g 2 1 0 0 9 6 , C h i n a ) Abs t r a c t : Th e be a ring s t r u c t ur e of r e i n f o r c e d c o n c r e t e b u i l d i ng d u ring c o ns t r uc t i o n c o n s i s t s of f o r mwo r k s ho r e s a nd e a r l
4、 y a g e c o n c r e t e me mb e r sNo w,t he FEM a nd s i mp l e me t ho d a r e us e d t o c a l c ul a t e t he d i s t rib ut i o n of v e r t i c a l l o a d b e t we e n c o n c r e t e me mb e r s a n d f o r mwo r k s ho r e sAn a pp r o x i ma t e me t ho d i s pu t f o r wa r d t o c a l c
5、 ul a t e t h e d i s t rib u t i o n of v e rti c a l l o a d b a s e d o n F EM a n d s i mpl e me t ho d,Th e prima r y s t ruc t u r e s a r e ob t a i n e d a c c o r d i ng t o t he c o n s t ruc t i o n p r o c e s sTh e c o e ffi c i e nt s o f v e rti c a l l o a d di s t rib u t i o n b e
6、t we e n c o n c r e t e me mb e r s a n d f o r mwo r k s h o r e s a r e c o n fir me d t h r o u g h t h e F EM Th e l o a d s of c o n c r e t e me mbe rs a nd f o r mwo r k s ho r e s c o u l d be o b t a i n e d c o n v e n i e nt l y b y t h e a p p r o x i ma t e me t h o d, Ke y wo r ds: re
7、i nfo r c e d c o nc r e t e s t ruc t ur e s;c o n s t ruc t i o n p r o c e s s;l o a d d i s t rib ut i o n;a p pr o x i ma t e me t h o d;p rima r y s t ruc t ur e 0 引言 据不完全统计 , 我 国从 1 9 5 8年到 1 9 8 7年 间的 2 8 5 起房 屋 和 结 构 倒 塌 事 故 , 在 施 工 期 间 发 生 的 占 8 3 l l J 。文 2 首次对 施 工期 间的临 时受力 体系进 行 了研究 , 将
8、支撑看 成是夹 在混凝 土楼板之 间 的弹性 均 质层。该方法计算 精度高 , 但是计 算繁琐 不 实用。文 3 提 出了计算楼 板和支 撑在施 工 中承受 荷载 的简化 方法。文 4 开始 对施工期 间 的混 凝土结 构进行 系统 的分析 , 建立 了精确 的有限元模型 , 考虑 了楼板的边界 条件 、 基础的刚性 、 柱 的轴 向变形 、 楼板形 状等 因素 的 影响。文 5 提 出采用基本 结构进 行施工 期间荷 载 的 传递分析。2 0 0 4年 , 文 6 提 出弹性 支撑分 析梁模型用 于分析施工期 间结构 的受力特性。有 限元 方法能够建 立精确的三维模 型 , 对施 工期 间竖
9、 向荷 载的传递 进行 准确 的分析 , 但是计算 比较繁琐 。下面根据施工过程 , 将相 同的施工步骤归为一类 , 称为基本结构 , 以有 限元 计算为基础 , 确定基本 结构 中混 凝土构 件和 楼板支撑 的荷载分配系数 , 据此进行竖 向荷载传递的分析。 1 基本假定 施工期间的钢筋混凝 土结构 是一 个时变 结构 _ J , 其材料属性 、 边界条件和荷载均随时间变化 , 分析需要 考虑 多种因素 , 为简化计算 , 采取如下假 定 : 1 )混凝 土 构件和模板支撑为线弹性 构件 ; 2 )模板支撑 的刚度取 为钢管 的实 际刚度 , 不考虑模板对支撑刚度 的影 响; 3 ) 计算
10、中只考虑混凝 土 的 自重 , 不考 虑模板支撑 系统 自 重的影 响; 4 )基础为无 限刚性 。 2 基本结构 对 于施工期 间的钢筋混 凝土结构 而言 , 其 力学分 析属于慢速时 变结构力学 范畴 , 可以采用 离散性 的 时间冻结近似处 理 , 即把 时变结构看 作 由一 系列 的时 不变结构组成 。对每一个 时不变结 构进行静 力分析 , 然后再进行迭 加 , 得到 结构各 个阶段 的内力状态 。将 施工过 程划分 为两类标准施工阶段 , 即: 浇筑新层 阶段 和拆除支 撑 阶段 , 在 每个 施 工 阶段 , 结 构为 时不 变结 构 , 其材料属性 、 几何模 型和荷 载被认为
11、是定 值 , 进行 静力分 析即得 到结构在本阶段的内力。按 照施 工顺序 对结构 进行一 系列 的静力分析 , 得到结构 在整个施 工 期间各 个阶段 的 内力值 , 并能 确定构件 在整个施 工过 程 中的最大内力值 。 根据两类标准施工 阶段 , 并考虑基础 、 支模 方案的 影响 , 采用 7个基本 结构来 描述施 工期 间混凝 土结 构 的基本力学性能 。基本 结构分 别为 : 含有底 层支撑 的 浇筑新层 、 不含底层 支撑 的浇筑新层( 下有一层支撑) 、 *江苏省“ 六大人才高峰” 项 目。 2 3 维普资讯 不含底层 支撑 的浇筑 新层 ( 下有两层 支撑 ) 、 拆 除底层
12、 支撑( 上有一层支撑) 、 拆 除底层支撑( 上有两层 支撑 ) 、 拆除非底层 支撑( 上有一层 支撑 ) 、 拆除非底层支撑 ( 上 有两层支撑 ) 。简图见表 1 。 图 1 ( a ) 所 示为基 本结构 1 。当浇筑 新层 时 , 其 自 重荷载由两种途 径来 向下 传递 , 一是 通过楼 板下 的支 撑传递给下层 的楼 板 ; 二是 通过楼板 一柱子 直接传递 给下层柱子 。基本结 构 1是一个 三层结 构 , 但 它能够 给 出从层 1到层 3的带底层 支撑的分配系数 。由于与 实际施工时一层 一层浇筑 的结构几 何模型不 同 , 必然 给荷载的计算带 来一定 的误 差 , 但
13、是 能够减 少基本结 构 的数量 , 简 化近似方法。 图 1 ( b ) 所示 为基本结 构 5 , 为 拆除一层 支撑 时 的 结构模型。支撑拆 除时 , 将 支撑 荷载 反_向加到其 所支 撑的楼板上 , 荷载大小和作用点不变 , 为集 中力 。支撑 拆除后 , 其承担 的荷 载将 由其他混凝 土构件 和支撑承 担 , 层 1楼板受到 向下 的力 的作用 , 产 生向下 的变形 , 内力增大 , 并使得层 2和层 3支撑 内力减小 。 ( a )基本 结构 1 ( b )基本结构 5 ( c )计算模 型 图 1 基本结构 和计算模型 3 算例分析 3 。 1计算模型 某混凝土板柱结 构
14、 , 柱 网尺 寸为 6 m6 m, 层数 为 1 0 层 , 分析时纵 向和横 向都只选取 1 跨 ( 见图 1 ( c ) ) , 所 以楼板 的边界条件为四边滑动支座约束。结 构的构件 截面尺寸为 : 柱截面 6 0 06 0 0 , 板厚 1 8 0 mm, 层高 3 。 6 m。 支撑选取 4 83 。 5 mm的钢管 , 支撑间距1 0 0 01 0 0 0, 弹性 模量取 为 2 。 0 61 0 N m m 。柱 采用 C A 0混凝 土 , 楼板采用 C 3 0混凝 土。施工周期为 7 d 。 混凝土 的弹性模量 由下式确定 : E ( t ) :E p :e ( 一 ( 1
15、 ) 式中: E ( t ) 为龄期 为 t 的混凝土 弹性模 量 , E 为龄期 为 2 8 d的混凝土弹性模 量 , s取 决于水 泥种 类 , 普通水 泥和快硬水泥取为 0 。 2 5 , 快硬高强水泥取为 0 。 2 0 。 3 。 2分配系数 的确定 采用三维有 限元 软件 A N S Y S计算各 种 基本 结 构 在竖向荷载作用 下 的内力 , 然后得 出楼板和 支撑间荷 载分配的比例关 系, 据此 进行施工 模拟计算 。使 用有 限元软件 A N S Y S中的单元 “ 生死 ” 功 能来模 拟基 本结 2 4 构中的施 工过 程 , 例 如 : 拆 除 支撑 时 , 将 支撑
16、 单元 “ 杀 死” , 单元刚度变为零 , 不能承受荷载 , 模 拟支撑拆除施 工步骤。支撑拆除后必然导致上层楼板和支撑之间产 生 内力重分布 , 将 支撑单元 内力反 向施 加到上 层楼板 上 , 如图 1 ( b ) 所示 , 模拟支撑拆除后上部结 构的受力情 况 , 计算得到上层楼板和支撑 的新 内力 , 与上一步 内力 的差值就是支撑拆 除施工步骤 引起 的内力重分 布 , 上 层支撑和楼板 内力的差值 与拆除支撑 内力之 比就是基 本结构的分配 系数。有限元计算中 , 柱 、 楼板和支撑分 别采用 A N S Y S中 B e a m l 8 8单 元 、 S h e l l 6
17、3单 元和 L i n k l 0 单元模拟。 基本 结构的分 配 系数 表 1 l 2 3 4 5 6 7 基 本 田 结 构 I l l l ,l , j l : : l 上 O 8 1 4 0 6 O 6 9 5 O 规 O 4 6 6 0 4 3 8 O 4 6 0 中 O 8 5 3 O 6 3 8 一 一 一 下 O 9 0 5 0 4 8 3 O协 一 O 5 9 3 一 O 5 6 5 备 注 浇 筑薪 层 虚 线 表 示 拆除 本 层 支 掉 计算 中只考虑楼板 的自重 , 记 为 D, 支撑 及楼板所 受荷载均采用 D来表示 。表 1 列出了各基本结构支撑 的荷载分配系数。
18、表 1中的基本结 构 1到基本结构 3 的上层 支撑分配系数 为浇筑新层后经历 一个施 工周期 时的荷载分配 系数。对于新浇筑 的楼板 , 还 未有强度 和刚度 , 不能承受荷 载, 其下支撑 的分配 系数为 1 。 3 。 3竖向荷载传递近似计算 根据基本结构可以进行 3 种常见 的支模方 案的竖 向荷载传递分析 , 即两层支撑 、 三层支撑 和两层 支撑加 一 层二次支撑 。以三层 支撑为例 , 说 明近似方 法 的应 用。计算过程见表 2 。 层 1 楼板浇筑完成后 , 由于混凝土 的龄期为零 , 楼 板不能 承受荷 载 , 支撑 分配系数为 1 , 所 以支撑 承受 的 荷载等于楼板
19、的 自重 D 。经过一 个施工周期 , 楼板 的 龄期变为 7 d , 具有 一定 的强度 和 刚度 , 能够 承受 一部 分 自重 , 查 基本 结 构 1 , 取 下层 的 支撑 荷载 分 配 系数 0 。 9 0 5 , 其承受 的荷 载为 0 。 9 0 5 D, 楼板所 承担 的荷载可 由平衡条件得 到 , 即为 0 。 0 9 5 D。 施工步骤 3 , 浇筑层 2楼板 , 此 时层 1 楼板 龄期为 7 d , 层 2楼板 的龄期 为零 , 层 2支撑 承受全部 的荷载 , 为 1 D, 传给层 1 支撑 的分配系数为 0 。 9 0 5 , 所 以层 1 支 撑 的荷载 为 1
20、 8 1 D: 0 。 9 0 5 D+ 0 。 9 0 5 D, 即层 1支撑 已 有的荷载加上层 2支撑传递下来 的荷载 。经过一个施 工周期 , 层 2 楼板和层 1 楼 板混凝 土的龄期分 别为 7 d 和 1 4 d 。此时层 2楼板 的分配系数为基 本结构 1中的 上层 分 配 系 数 , 即 0 8 1 4, 所 以 层 2支 撑 的荷 载 为 0 。 8 1 4 D。层 1 支撑的荷载为 1 6 4 2 D。 维普资讯 近似 方法计 算过 程 表 2 施工步骤 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 施工说明 浇筑层1 楼板 1 个施工周期 浇筑层2 楼板 1 个施工周期
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