超高层筒中筒建筑上部结构的原位测试与施工力学分析
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摘要
近几年来，随着国内外高层建筑越建越高，结构形式也越来越复杂。如何高效、准确地对这些复杂结构体系进行内力分析，已成为我国高层建筑领域亟待解决的问题。传统的结构分析是按照一次加载模式进行的，而施工阶段的钢筋混凝土结构是形状、材料性质以及所承受的荷载均随时间变化的时变结构。施工阶段结构受力与按传统方法计算的结果有很大的差别。
本文介绍了土木工程施工力学研究的基本理论，分析了混凝土的依时变形特性及其对施工阶段上部结构受力的影响，并研究了施工阶段高层及超高层建筑结构的荷载、抗力的时变特性及“刚度迟后”现象。
以超级元理论为基础，本文建立了高层筒中筒结构的简化施工力学计算模型，提出了“超级元-子结构有限元耦合法”。利用Ansys有限元程序对超高层筒中筒结构的施工过程进行了数值模拟，并结合一超高层建筑上部结构原位测试结果对施工过程中上部结构的受力进行了分析。分析表明：外框筒、剪力墙内筒以及内外筒之间均存在明显的“拱效应”，使结构中发生内力重分布。因此笔者建议在实际工程设计中采用合适的有限元软件考虑上部结构与地基、基础的共同作用对超高层建筑结构进行全过程的施工力学分析以作为设计的依据。
In recent years , with the increase of height of super high-rise buildings, the structure types become more and more complex. How to analysize these complex structure systems is an urgent problem in the field of tall building of our country. Traditional structural analysis is based on the single load model. However , in the construction period the reinforced concrete structure is a kind of time-varing structure in which structure shape, material performance and loads are all time-varing. Structural response in the construction process has great difference from results calculated with traditional method.
In the paper, the basic theory of construction mechanics is introduced. The time-dependant characteristics of concrete is discussed and its influence on structure response in the construction period is induced. Subsequently the rigidity-leg phenomenon and the time-varing feature of load and resistence in the super hige-rise building' s conctruction period is analysized.
Based on the super finite element theory a simplified computation model of construction mechanics toward high-rise tube in tube structure is brought forward and the super-element-minor-structure-coupling finite element method is established. Using ANSYS computer programme the construction process of super high-rise tube in tube structure is numerically simulated and the inner force of superstructure is analysized combined with on-site measurement data of a tube and tube structure. As analysis is shown, there are great "arching effects" in the inner tube and outer tube and also between two tubes. So i t is advised that some appropriate computer software considering
the interaction of superstructure, base and soil should be adopted to analysize the response of super high-rise building through the construction process to provide reference to engineering design.
本文介绍了土木工程施工力学研究的基本理论，分析了混凝土的依时变形特性及其对施工阶段上部结构受力的影响，并研究了施工阶段高层及超高层建筑结构的荷载、抗力的时变特性及“刚度迟后”现象。
以超级元理论为基础，本文建立了高层筒中筒结构的简化施工力学计算模型，提出了“超级元-子结构有限元耦合法”。利用Ansys有限元程序对超高层筒中筒结构的施工过程进行了数值模拟，并结合一超高层建筑上部结构原位测试结果对施工过程中上部结构的受力进行了分析。分析表明：外框筒、剪力墙内筒以及内外筒之间均存在明显的“拱效应”，使结构中发生内力重分布。因此笔者建议在实际工程设计中采用合适的有限元软件考虑上部结构与地基、基础的共同作用对超高层建筑结构进行全过程的施工力学分析以作为设计的依据。
In recent years , with the increase of height of super high-rise buildings, the structure types become more and more complex. How to analysize these complex structure systems is an urgent problem in the field of tall building of our country. Traditional structural analysis is based on the single load model. However , in the construction period the reinforced concrete structure is a kind of time-varing structure in which structure shape, material performance and loads are all time-varing. Structural response in the construction process has great difference from results calculated with traditional method.
In the paper, the basic theory of construction mechanics is introduced. The time-dependant characteristics of concrete is discussed and its influence on structure response in the construction period is induced. Subsequently the rigidity-leg phenomenon and the time-varing feature of load and resistence in the super hige-rise building' s conctruction period is analysized.
Based on the super finite element theory a simplified computation model of construction mechanics toward high-rise tube in tube structure is brought forward and the super-element-minor-structure-coupling finite element method is established. Using ANSYS computer programme the construction process of super high-rise tube in tube structure is numerically simulated and the inner force of superstructure is analysized combined with on-site measurement data of a tube and tube structure. As analysis is shown, there are great "arching effects" in the inner tube and outer tube and also between two tubes. So i t is advised that some appropriate computer software considering
the interaction of superstructure, base and soil should be adopted to analysize the response of super high-rise building through the construction process to provide reference to engineering design.
引文
[1] 胡世德，国内外高层建筑的发展及所采用的施工技术，建筑科学，第1期，2001。
[2] 第十五届全国高层建筑结构学术交流会会议文件[C]，武汉，1999。
[3] 高层建筑设计与施工技术研讨会论文集[C]，北京，1999。
[4] 李丹，多层及高层建筑结构空间分析程序(TBSA用户手册)，1992。
[5] 邵弘，高层建筑结构三维分析程序(TAT用户手册)，1994。
[6] Ashraf Habibullah, Three Dirnensional Analysis of Building Systems (TDABS), California, 94704, USA, 1992。
[7] A.Shraf Habibullah, ET AL., A Series of Compter Programs for The finite Element Analysis of Structures (SAP90), Califomia, 94704, USA, 1991。
[8] 何广乾，现代建筑结构科学技术发展中的若干问题，建筑结构，第1期，1980。
[9] 谢征勋，建筑工程事故分析及方案论证，北京，地震出版社，1996。
[10] 叶耀先，中国建筑结构倒塌事故分析，建筑结构，第5期，1990。
[11] 刘西拉，我国结构工程学科应优先发展的领域，土木工程学报，第4期，1993。
[12] 丁龙章，高层框架在恒载做用下施工模拟计算，建筑结构，第5期，1985。
[13] 林欢，矩阵递推法在高层框架施工模拟计算中的应用，建筑结构，第1期，1989。
[14] 钟万锶、吴连元，考虑建造过程及材料蠕变的结构分析，计算结构力学及其应用，第4期，1984。
[15] 喻永声，考虑施工因素的高层建筑结构形态，计算结构力学及其应用，第1期，1986。
[16] 喻永声，考虑建造过程的多重子结构分析矩阵位移法，计算结构力学及其应用，第3期，1990。
[17] 李瑞礼、曹志远，高层建筑结构施工力学分析，计算力学学报，第2期，1999。
[18] Liu Xila, Chen W F, Browman M D, Construction Load Analysis for Concrete Structures, J Struct Engrg ASCE, 1985, 111(5)。
[19] Liu Xila, Chen W F, Browman M D, Shore-Slab Interaction in Concrete Buildings, ASCE, 1986, 112(2)。
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[22] Chen W F, Mosallam K, Concrete Buildings Analysis for Safe Construction, CRC, INC, 1991。
[23] EL-Shahhat M, Chen W F, Improved Analysis of Shore-Slab Interaction, ACI Structural Journal, 1992, 89(5)。
[24] Duan Ming-zhu, Chen W F, Improved Simplified Method for Slab and Shore Load Analysis During Constmction, Project Report: CE-STR-95-24, Purdue University, 1995。
[25] Nilsen K, load on Rerinforeed Concrete Floor Slabs And Their Deformation Durig Conctruction, Bulletin NO.15, Final Report, Swedish Cement and Concrete Research Institute, Royal Institute of Technology, Stockholm, 1952。
[26] Paul Grundy, Kabaila A, Construction Loads on Slabs with Shored Formwork in Mulistory Buildings, J.ACI, Proceedings, 1963, 60 (12)。
[27] Hard M K, Formwork for Concrete, SP-4, 4th Edition, American Concrete Institute, Detroit, 1979: 464。
[28] R K Agarwal, N.J. Gardner, Form and Shore Requirements for Multistory Flat Slab Type Buildings, ACI Journal, Proceedings VOL. 71, NO.11, 1974。
[29] 潘鼐，现浇混凝土楼板和模板支撑荷载传递的测试分析，工业建筑，第5期，1989。
[30] 杨宗放、郭正行，高层建筑施工中现浇楼板的荷载传递与支模层数研究，施工技术，第1期，1988。
[31] D.V. Rosowsky, Dryver R Huston, PeterFuhr, Wai-fah Chen, Measuring Formwork Loads during Construction, Concrete International, 1994, 16 (11)。
[32] D.V. Rosowsky, T W Philbrick JR, Dryver R Huston, Observations From Shore Loads During Concrete Construction, Journal of Performance of Constructed Facilities, 1997, 11 (1)。
[33] 方东平、耿川东、祝宏毅、刘西拉，施工期钢筋混凝土结构特性的计算研究，土木工程学报，第6期，2000。
[34] 曹志远，土木工程分析的施工力学与时变力学基础，土木工程学报，第3期，2001。
[35] 曹志远、曾晓青、周公佐、李瑞礼，施工力学与时变力学的数值分析，计算力学学报，1997(增刊)。
[36] 曹志远，时变力学及其工程应用，力学与实践，第5期，1999。
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[44] U.S.Bureau of Redamation, A 10-Year Study of Creep Properties of Concrete, Concrete LaboratoryReport, Denver, Colrado, 28th, July, 1953。
[45] 欧洲混凝土协会—国际预应力协会编，中国建筑科学院结构所译：CEB-FIP (1990)混凝土结构模式规范(1991年7月最终稿)，1991。
[46] America Concrete Institute (ACI), Committee 209, Prediction of Creep,Shrinkage and Temperature Effects in Concrete Structures, ACI209R-92, Detroit, Michigan, 1992。
[47] 中华人民共和国交通部标准，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ023-85)，北京，1985。
[48] 美国各州公路和运输工作者协会(AASHTO)制定，辛济平等译：美国公路桥梁设计规范——荷载与抗力系数设计法，人民交通出版社，北京，1997。
[49] 李锡夔，蠕变—弹塑性—损伤耦合响应的有限元分析，计算结构理学及其应用，第1期，1998。
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[51] A.M. EI-Shahhat, W. F. Chen. Toward a Life cycle Analysis of Concrete Structures, 结构工程学的研究现状和趋势，上海：同济大学出版社，1996。
[52] 中华人民共和国国家标准，混凝土结构设计规范(GBJ10-89)，北京：中国建筑工业出版社，1989。
[53] 佟晓利，钢筋混凝土结构施工期可靠性研究[学位论文]，大连理工大学，1999。
[54] 宰金珉、宰金璋，高层建筑基础分析与设计，北京：中国建筑工业出版社，1993。
[55] 毛蓉萍，钢筋混凝土结构模拟施工过程的结果分析，工程力学(增刊)，2002。
[56] 王光远，论结构力学的拓广，工程力学(增刊)，1997。
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