復雜旋轉移位工程分析范文

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《四川建筑科學研究雜志》2014年第三期

1濠景大廈工程托換結構的構造

托換結構是由柱托換節點和水平連梁組成的空間結構。本工程柱托換荷載較大，托換結構的截面高度受基礎埋深限制不能滿足要求，同時避免移動過程中移位軌道上豎向荷載過于集中于柱所在位置，故確定采用分荷裝置托換方案。考慮到旋轉和縱向移位多個工況，設計了多斜支撐分荷結構。濠景大廈整體平移工程采用鋼筋混凝土托換結構，其多斜支撐分荷結構由上、下抱柱節點、分荷斜支撐和水平連梁組成。上、下抱柱節點均采用植筋抱柱梁形式［2］;各柱的下抱柱梁采用水平連梁相互連接，組成托換底盤;上抱柱梁設置在自下抱柱梁向上沿柱高3m處;分荷斜撐包括4道旋轉斜撐和2道縱向平移斜撐，斜撐上部與上抱柱梁澆筑在一起，下端與水平連梁整體澆筑，傾斜角度為45°。托換底盤下部設移動支座。其桿件組成參見圖1，單柱托換結構受力簡圖參見圖2，整體托換結構平面參見圖3。上抱柱梁、下抱柱梁、連梁、斜支撐截面分別為250mm×550mm、400mm×700mm、400mm×450mm、350mm×350mm。

2多支撐分荷托換結構的內力分析方法

采用Sap2000對濠景大廈柱托換結構進行建模分析。分析過程中應考慮托換結構剛度、軌道剛度、移動支座變形等對托換結構桿件內力的影響，其中移動支座的變形是托換結構桿件內力最主要的影響因素。為找到一個具有較好精度、計算簡單的分析方法，本文采用五種計算模型進行計算，將結果進行對比。支座模擬方式參見圖4。四種支座模擬方案的具體方法如下。方案1:不考慮支座的彈性，同時忽略軌道、地基軌道下土的彈性，假設支座按鉸接設置。方案2:不考慮支座的彈性，同時忽略軌道、地基軌道下土的彈性，假設支座只受豎直方向約束，豎直方向支座剛度為無窮大。方案3:考慮軌道梁、地基的影響，軌道截面尺寸500mm×1200mm，軌道下地基用彈簧單元模擬［2］，彈簧單元的剛性系數ks=kbl1，式中k為地基基床系數，根據該工程土質情況并參考文獻［14］，取k=10000kN/m3;b為軌道基礎底板寬度;l1為彈簧單元間距［2］。此時支座采用連接單元設置，單元剛度假設為無窮大。方案4:當采用懸浮滑動支座時，每個支座下的受力是可控的，可直接設定支座反力，進行托換結構內力計算。該工況給定每個斜支撐下支座反力為柱軸力的八分之一。方案5:建立水平托換結構整體式模型。取豎向荷載N為8000kN，分荷支撐傾角為45°。令Rb表示斜支撐下支座反力，Rc表示柱位置處支座反力;以Nb表示斜支撐的內力，Mb為斜支撐上的彎矩。定義分荷效果系數λ=∑Rb/N，λ1=Rb/N，各方案計算結果見表1。由于方案3考慮了上部結構和基礎、地基的協同工作情況，計算精度較好。方案1和方案2與方案3相比，分荷效果系數誤差也列入表1中。計算結果表明，分荷斜撐有較好的分荷效果，考慮協同工作時，旋轉工況下4個斜支撐總分荷效果為47.6%，接近總豎向荷載的50%。如采用懸浮千斤頂，從下反向加荷，可以使分荷效果進一步增大。方案1、2在不考慮軌道梁、地基協同工作時計算誤差較大，故在斜支撐內力分析時，不宜采用簡化方法。方案5的整體模型與單個模型相比較，分荷效果近似，但整體模型受軌道弧度的影響，斜支撐上受到彎矩增大。由表1還可以看出，分荷斜撐軸向壓力較大，彎矩值很小，可以不用考慮，可將分荷斜撐作為軸心受壓構件設計。方案3和方案5對比表明，整體式模型和局部獨立模型計算的分荷效果基本相同，但在整體模型中，分荷斜撐的彎矩明顯增大。

3分荷效果的主要影響因素

3．1斜支撐與柱夾角的影響圖5為斜支撐與柱子的夾角α從30°變化到60°變化，斜撐分荷效果系數λ隨之變化情況。可以看出，隨著角度的增大，斜支撐分擔荷載減小。在30°到45°時，λ減小得略緩，當超過45°后，λ急劇減小。當α為60°時，分荷效果系數不足0.3。采用上述截面尺寸的柱、分荷支撐和連梁時，分荷效果系數λ與夾角α的擬合關系式參見式(1)。

3．2斜支撐投影與軸線水平夾角的影響旋轉平移工程中，分荷支撐下的移動支座應和弧形軌道重合，柱前后分荷支撐并非圖1所示雙軸對稱形式，而是受該柱所在軌道限制，與軸線有一定的偏轉角。設前后分荷中心線水平投影與橫向軸線的夾角為θ(圖6)，分荷效果系數λ隨夾角θ的變化曲線參見圖7。分析結果表明，隨軌道曲率的大，斜支撐分荷效果明顯降低。當斜支撐相對托架旋轉14°時，分荷效果僅達到28.8%，效果很不明顯。所以當軌道曲率較大時，在設計中應注意分荷效果的降低現象，可采用較小的α以取得較好的分荷效果。

3．3斜支撐截面尺寸的影響為考察斜支撐面積增減對分荷效果的影響，設斜支撐截面與柱面積比用γA表示。分析表明，分荷效果系數λ隨截面尺寸的增大，截面積比γA減小近似成線性增長，但變化幅度不大(圖8)。當支撐截面尺寸從350mm×350mm增大為500mm×500mm，面積增大約一倍，γA由0.218增大至0.446，λ從0.48增長至0.53，增加約10%。擬合關系式為:λ=0.3γA+0.41。可見，通過增大斜撐截面尺寸不是提高分荷效果的有效方法。

3．4水平連梁的截面尺寸與高寬比本工程中下托架截面選用400mm×450mm，圖9為保持托換結構水平連梁截面高寬比不變、λ隨連梁與柱子面積比γB的變化曲線。由圖9可以看出，隨著水平連梁截面尺寸減小，分荷效果略有增加，但并不明顯。圖10為當保持托架連梁截面面積不變，變化截面的高寬比h/b時λ的變化情況。可以看出，隨著高寬比的增大，斜支撐分擔的荷載在減小，柱下支座分擔荷載增大，但變化值較小。上述現象的原因是連梁剛度較小時，分荷支撐與連梁交接處產生的向上的豎向位移較大，斜支撐軸力增大，傳力效果略好。需要特別注意，連梁需同時承擔豎向荷載和房屋移動時的水平荷載，用增大梁高、減小梁寬的方法提高分荷效果并不可取。設計時應適當增大連梁截面，以增強托換結構整體性。

3．5移動過程中水平力的影響以彈簧支座模擬移動支座，建立整體托架模型，將平移過程中水平動力和移動支座摩擦反力施加在托架相應位置，施加水平力后的分荷效果參數計算結果列入表2中。由表2和表1方案5中數據對比可知，兩者相差不大。

4結論

通過對濠景大廈旋轉平移工程多支撐分荷結構分荷效果的分析，可得出以下結論。1)在旋轉平移工程中采用分荷結構是可行的。2)在計算分荷結構內力時，宜采用上部結構與軌道協同分析方法，以取得較好的計算精度。整體模型與單柱模型相比，計算分荷效果差別不大，但單柱分析時斜支撐彎矩計算結果明顯偏小。3)構件設分荷支撐可近似按軸心受壓構件設計。4)斜支撐與柱豎向夾角、與軸線的水平夾角對分荷效果影響較大，設計時，建議取較小的豎向夾角，且不宜超過45°。斜支撐和連梁截面尺寸、是否施加水平力對分荷效果影響不大。

作者：曹兆娜張芬芬王偉單位：河海大學土木與交通學院