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不同的竖向荷载加载方式对结构计算的影响性分析
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内容提示：PKPM 程序是由中国建筑科学研究院开发的结构计算软件。在竖向力计算控制参数上，SATWE给出了五种不同的加载方式，分别是1、不计算恒活荷载，2、一次性加载，3、模拟施工加载一，4、 模拟施工加载二， 5、模拟施工加载三。五种不同的竖向荷载加载方式适用于不同的结构。结合工程实际，就这五种不同的加载方式的适用范围阐述进行分析。
摘 要：PKPM 程序是由中国建筑科学研究院开发的结构计算软件。在竖向力计算控制参数上，SATWE给出了五种不同的加载方式，分别是1、不计算恒活荷载，2、一次性加载，3、模拟施工加载一，4、 模拟施工加载二， 5、模拟施工加载三。五种不同的竖向荷载加载方式适用于不同的结构。结合工程实际，就这五种不同的加载方式的适用范围阐述进行分析。（参考《建筑中文网》）
关键词：竖向荷载加载方式； 模拟施工加载； 竖向变形
1结构变形的形成过程
结构的竖向荷载由恒载与活载两部分组成。对于多层结构，竖向荷载引起的竖向变形很小，而对于高层结构来说，其活载都较小，仅占竖向荷载的10%~15%，大体上与施工荷载相当。在竖向荷载作用下，高层结构的变形基本上是在施工过程中逐层形成的。在施工过程中，由于逐层找平的原因，在某一层加载，该层及其以下各层的变形不受该层以上各层的影响，而且也不影响上面各层，其结构在竖向荷载作用下的变形在施工过程随着结构能不断增加而增加。
现行PKPM结构设施软件设置了五种不同的加载模式，其基本假定有：
1、不计算竖向力：顾名思义，这种加载方式是没有考虑竖向荷载的作用，只考虑水平荷载（主要是风荷载和地震荷载）产生的内力和变形对结构的影响。
2、一次性加载：这种加载方式是先假定结构整体刚度已经存在，然后将荷载一次性添加。这种计算模式是没有考虑施工中的逐层找平。
3、模拟施工加载一：假定在某一层加载时，该层及其以下各层的变形受其上各层刚度的影响，引入这一假定后，用图1近似表示。
4、模拟施工加载二：就是在“模拟施工加载一”的基础上，将竖向构件（柱）的刚度增大10倍的情况下再按“模拟施工加载一”的情况进行计算。
5、模拟施工加载三：是按照变形形成过程进行结构分析，刚度和荷载均采用逐层叠加。这种计算模式是最接近于实际变形形成过程的一种计算方式。
2结合实际工程示例
以《盛大●西城天下5#》主体结构计算为例：其主体为30层框架剪力墙结构，平面柱网、剪力墙布置如图2所示。
在其他条件均相同的情况下，只是改变竖向荷载加载方式时，对计算结果的影响。
1、对基础的影响：KZ1、KZ2与筒体B的轴力比较见表1
比较表1的结果，可见采用不同的竖向荷载加载方式时，对传到基础的轴力有很大的影响。
2、对上部构件的影响：（因模型太大，仅取8~14层的构件进行比较）
（1）采用不同的竖向荷载加载方式时，KZ2与筒体B相连的框架梁在8~14层的弯矩变化如图3，剪力变化如图4：
比较图3、4的结果，采用不同的竖向荷载加载方式时，梁内力计算结果均不同。尤其是采用“模拟施工二”计算时，其弯矩与剪力与其他几种加载方式的计算结果完全反向。
（2）采用不同的竖向荷载加载方式时，KZ1与筒体B相连的框架梁在8~14层的弯矩变化如图5，剪力变化如图6。
比较图3~6的结果发现，采用不同的竖向荷载加载方式时，对梁内力有很大的影响，且越是靠近剪力墙的柱和梁其影响越大。因此对于高层结构来说，选用不同的竖向荷载加载方式将直接影响到计算结果的正确性。
3五种不同的加载模式的区别及适用范围
3.1不计算竖向力：这种计算方式与其它四种计算方式的区别是没有考虑竖向荷载效应。它主要用于对水平荷载效应的观察和对比等。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）7.3.11-3条规定：“当水平荷载产生的弯矩设计值占总弯矩设计值的75%以上时，框架柱的计算长度可按公式7.3.11-1和公式7.3.11-2计算结果的较小者取值”。因此，在判断水平荷载产生的弯矩与总弯矩的关系，合理调整柱计算长度时，可以选取此种计算模式。
3.2“一次性加载”：这种计算方式与“模拟施工1~3”计算方式的区别在于前者是一次性加载，而后者是逐层加载。对于多层结构，采用一次性加载和逐层加载计算时的竖向变形基本相同，且施工中的层层找平对多层结构的竖向变形影响很小，特别是对于上部结构施工完后，下部结构才拆模的工程，采用“一次性加载”的计算方式更接近于结构的实际受力情况。对于高层结构，采用一次性加载和逐层加载计算时的竖向变形有着明显的不同，其竖向变形的差异导致了由竖向变形引起的上部结构构件内力的变化很大，而显然逐层加载的计算方式更符合实际情况，因此，在计算高层结构时不应采用一次性加载。
3.3 “模拟施工1~3”：这3种计算方式考虑的都是逐层加载。“模拟施工1、3”的区别仅仅在于计算时形成的刚阵不同。“模拟施工1”是按照图4进行刚阵分析，而“模拟施工3”是按照图2进行刚阵分析。比较图2和图4，显然“模拟施工3”的计算方式更接近与实际情况。“模拟施工2”是通过将柱的刚度放大10倍，而剪力墙的刚度不放大，来减小因柱与剪力墙刚度相差太大造成的变形差。由于柱的刚度放大，使得支承于柱与剪力墙的水平梁两端的竖向位移差减少，从而增大了靠近柱一端的剪力，减小了靠近剪力墙一端的剪力，使得柱与剪力墙的轴力变化很大（如表2所示）。采用这种方法进行计算缺乏理论依据，将柱刚度人为放大10倍，带来了如何控制柱轴压比等一系列问题，与实际情况不相符。考虑到实际施工时，因刚度不均造成的竖向位移差事实上是存在的，因此用“模拟施工3”计算出来的构件受力状态更接近于实际情况。
参考文献：
[1] 混凝土结构设计规范.
[2] 高层建筑混凝土结构技术规程.
[3] SATWE用户手册及技术条件.PKPM系列. 来源: 《建筑中文网》.
关键词：竖向荷载加载方式； 模拟施工加载； 竖向变形
1结构变形的形成过程
结构的竖向荷载由恒载与活载两部分组成。对于多层结构，竖向荷载引起的竖向变形很小，而对于高层结构来说，其活载都较小，仅占竖向荷载的10%~15%，大体上与施工荷载相当。在竖向荷载作用下，高层结构的变形基本上是在施工过程中逐层形成的。在施工过程中，由于逐层找平的原因，在某一层加载，该层及其以下各层的变形不受该层以上各层的影响，而且也不影响上面各层，其结构在竖向荷载作用下的变形在施工过程随着结构能不断增加而增加。
现行PKPM结构设施软件设置了五种不同的加载模式，其基本假定有：
1、不计算竖向力：顾名思义，这种加载方式是没有考虑竖向荷载的作用，只考虑水平荷载（主要是风荷载和地震荷载）产生的内力和变形对结构的影响。
2、一次性加载：这种加载方式是先假定结构整体刚度已经存在，然后将荷载一次性添加。这种计算模式是没有考虑施工中的逐层找平。
3、模拟施工加载一：假定在某一层加载时，该层及其以下各层的变形受其上各层刚度的影响，引入这一假定后，用图1近似表示。
4、模拟施工加载二：就是在“模拟施工加载一”的基础上，将竖向构件（柱）的刚度增大10倍的情况下再按“模拟施工加载一”的情况进行计算。
5、模拟施工加载三：是按照变形形成过程进行结构分析，刚度和荷载均采用逐层叠加。这种计算模式是最接近于实际变形形成过程的一种计算方式。
2结合实际工程示例
以《盛大●西城天下5#》主体结构计算为例：其主体为30层框架剪力墙结构，平面柱网、剪力墙布置如图2所示。
在其他条件均相同的情况下，只是改变竖向荷载加载方式时，对计算结果的影响。
1、对基础的影响：KZ1、KZ2与筒体B的轴力比较见表1
比较表1的结果，可见采用不同的竖向荷载加载方式时，对传到基础的轴力有很大的影响。
2、对上部构件的影响：（因模型太大，仅取8~14层的构件进行比较）
（1）采用不同的竖向荷载加载方式时，KZ2与筒体B相连的框架梁在8~14层的弯矩变化如图3，剪力变化如图4：
比较图3、4的结果，采用不同的竖向荷载加载方式时，梁内力计算结果均不同。尤其是采用“模拟施工二”计算时，其弯矩与剪力与其他几种加载方式的计算结果完全反向。
（2）采用不同的竖向荷载加载方式时，KZ1与筒体B相连的框架梁在8~14层的弯矩变化如图5，剪力变化如图6。
比较图3~6的结果发现，采用不同的竖向荷载加载方式时，对梁内力有很大的影响，且越是靠近剪力墙的柱和梁其影响越大。因此对于高层结构来说，选用不同的竖向荷载加载方式将直接影响到计算结果的正确性。
3五种不同的加载模式的区别及适用范围
3.1不计算竖向力：这种计算方式与其它四种计算方式的区别是没有考虑竖向荷载效应。它主要用于对水平荷载效应的观察和对比等。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）7.3.11-3条规定：“当水平荷载产生的弯矩设计值占总弯矩设计值的75%以上时，框架柱的计算长度可按公式7.3.11-1和公式7.3.11-2计算结果的较小者取值”。因此，在判断水平荷载产生的弯矩与总弯矩的关系，合理调整柱计算长度时，可以选取此种计算模式。
3.2“一次性加载”：这种计算方式与“模拟施工1~3”计算方式的区别在于前者是一次性加载，而后者是逐层加载。对于多层结构，采用一次性加载和逐层加载计算时的竖向变形基本相同，且施工中的层层找平对多层结构的竖向变形影响很小，特别是对于上部结构施工完后，下部结构才拆模的工程，采用“一次性加载”的计算方式更接近于结构的实际受力情况。对于高层结构，采用一次性加载和逐层加载计算时的竖向变形有着明显的不同，其竖向变形的差异导致了由竖向变形引起的上部结构构件内力的变化很大，而显然逐层加载的计算方式更符合实际情况，因此，在计算高层结构时不应采用一次性加载。
3.3 “模拟施工1~3”：这3种计算方式考虑的都是逐层加载。“模拟施工1、3”的区别仅仅在于计算时形成的刚阵不同。“模拟施工1”是按照图4进行刚阵分析，而“模拟施工3”是按照图2进行刚阵分析。比较图2和图4，显然“模拟施工3”的计算方式更接近与实际情况。“模拟施工2”是通过将柱的刚度放大10倍，而剪力墙的刚度不放大，来减小因柱与剪力墙刚度相差太大造成的变形差。由于柱的刚度放大，使得支承于柱与剪力墙的水平梁两端的竖向位移差减少，从而增大了靠近柱一端的剪力，减小了靠近剪力墙一端的剪力，使得柱与剪力墙的轴力变化很大（如表2所示）。采用这种方法进行计算缺乏理论依据，将柱刚度人为放大10倍，带来了如何控制柱轴压比等一系列问题，与实际情况不相符。考虑到实际施工时，因刚度不均造成的竖向位移差事实上是存在的，因此用“模拟施工3”计算出来的构件受力状态更接近于实际情况。
参考文献：
[1] 混凝土结构设计规范.
[2] 高层建筑混凝土结构技术规程.
[3] SATWE用户手册及技术条件.PKPM系列. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200810/13818.htm
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