盐城电视塔——双层钢板内填混凝土 组合剪力墙结构施工过程模拟计算方法.doc

盐城电视塔——双层钢板内填混凝土
组合剪力墙结构施工过程模拟计算方法
徐鹤松张军
江苏中南建筑产业集团有限责任公司
[摘要] 双层钢板内填混凝土组合剪力墙结构施工过程本质上属于施工力学范畴,而结构施工过程力学分析的难点在于结构时变、材料时变和边界时变的模拟。施工过程中结构的几何状态、刚度、材料性能及其荷载和边界条件在不断变化,需经历一系列准结构状态才能达到竣工状态。本文利用基于状态非线性有限单元法,通过分步建模技术、单元生死技术及网格划分对盐城电视塔的建模方法进行了详细阐述。
[关键词] 高耸结构双层钢板内填混凝土剪力墙计算方法
1 工程概况
建筑概况
盐城电视塔主塔地下2层,地上总高度195m;,标高145m上部为天线。主塔平面呈八角形,八角形边长为3438mm,。
主塔标准层平面图
结构概况
主塔采用双钢板组合剪力墙结构(简称“SPSW”),主塔筒壁厚度为300mm,筒壁内外侧钢板通过栓钉、连接钢筋及加劲板与筒壁内后浇筑混凝土形成整体结构,钢板材质为Q345B,结构抗震设防烈度为七度,结构设计使用年限为50年。。
主塔不同标高筒壁钢板厚度及混凝土强度等级表
序号
标高位置
钢板厚度(mm)
混凝土强度等级
1
-~
12
C50
2
~
20
C45
3
~
16
C40
4
~
12
C35
5
~
10
C30
6
~
8
C30
,上部各通过2根Φ100不锈钢拉杆与主塔筒壁斜拉连接,四个方向观光厅通过空中环行走道相连接。-1~-2。

-1 -2 观光厅结构轴测图
目前,在剪力墙结构中,常采用的钢板剪力墙为外包混凝土的单层钢板剪力墙。而该主塔采用的双层钢板剪力墙内部浇灌混凝土组合高耸建筑结构,此前尚没有看到应用实例,相关的研究文献也很少,因而,深入研究这种钢板剪力墙结施工阶段的力学性能,具有理论意义和实用价值。根据该工程实用及科研目标需要,拟对双层钢板剪力墙高耸结构在施工过程中的力学性态进行深入研究,为今后同类结构的应用提供理论基础和科学数据。
2 主塔筒体施工工艺流程
主塔筒体结构施工总体思路为:将筒体平面分割成8个吊装单元,每单元高度5400mm,筒体结构自下而上、内外同时施工。在筒体内、外侧分别安装工具式操作平台,其中外平台在地面与单元筒体钢板拼装后整体吊装,内、外平台逐层周转使用。主塔筒体的施工工艺流程如图2所示。
图2 主塔筒体施工工艺流程图
3 施工过程模拟计算方法
双层钢板内填混凝土剪力墙结构施工过程本质上属于施工力学范畴,而结构施工过程力学分析的难点在于结构时变、材料时变和边界时变的模拟。施工过程中结构的几何状态、刚度、材料性能及其荷载和边界条件在不断变化,需经历一系列准结构状态才能达到竣工状态,在整个施工过程中结构的受力状态与时间(施工步骤)在某种程度上表现出了一定的非线性关系,称之为状态非线性,而模拟施工过程结构力学状态变化的有限单元法,称之为状态非线性有限单元法。
采用非线性有限元法进行施工过程力学问题分析的基本步骤和原理简述如下:
(1)根据拟定的施工方案,把施工过程离散为时间序列0=t0<t1<t2<…<tN=T,划分为 N 步系列的施工阶段,假定在各施工阶段中结构的几何状态不变。时间具有真实的物理意义,t0时刻代表结构的初始“零”状态,tk时刻代表第k步施工完成时结构的状态,tN时刻代表结构的竣工状态。一般情况下,施工方案确定后每个阶段所安装和拆除的构件、边界条件的变化情况、材料性能的改变量以及荷载的变化量均可预先确定,否则,需在跟踪模拟过程中根据结构受力状态的改变而确定。
(2)构件安装和拆除的模拟通过修改单元及结构的刚度矩阵来实现。假设tk-1时刻施工分析完成后,结构的受力状态已知,把几何和物理的增量方程代入能量泛函变分方程,可得到tk时刻开始分析时已有结构的即时刚度矩阵。结构受力的几何非线性强时须加以考虑,材料特性的改变可以通过本构方程来实现。若tk时刻要安装和拆除构件的单元初始刚度矩阵分别为和,则tk时刻结构分析的初始刚度矩阵为
(3-1)
构件安装或拆除使得单元的刚度从无到有或从有到无,在该过程中单元在状态上表现出了一种特有的非线性,即