复杂旋转移位工程分析范文

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《四川建筑科学研究杂志》2014年第三期

1濠景大厦工程托换结构的构造

托换结构是由柱托换节点和水平连梁组成的空间结构。本工程柱托换荷载较大，托换结构的截面高度受基础埋深限制不能满足要求，同时避免移动过程中移位轨道上竖向荷载过于集中于柱所在位置，故确定采用分荷装置托换方案。考虑到旋转和纵向移位多个工况，设计了多斜支撑分荷结构。濠景大厦整体平移工程采用钢筋混凝土托换结构，其多斜支撑分荷结构由上、下抱柱节点、分荷斜支撑和水平连梁组成。上、下抱柱节点均采用植筋抱柱梁形式［2］;各柱的下抱柱梁采用水平连梁相互连接，组成托换底盘;上抱柱梁设置在自下抱柱梁向上沿柱高3m处;分荷斜撑包括4道旋转斜撑和2道纵向平移斜撑，斜撑上部与上抱柱梁浇筑在一起，下端与水平连梁整体浇筑，倾斜角度为45°。托换底盘下部设移动支座。其杆件组成参见图1，单柱托换结构受力简图参见图2，整体托换结构平面参见图3。上抱柱梁、下抱柱梁、连梁、斜支撑截面分别为250mm×550mm、400mm×700mm、400mm×450mm、350mm×350mm。

2多支撑分荷托换结构的内力分析方法

采用Sap2000对濠景大厦柱托换结构进行建模分析。分析过程中应考虑托换结构刚度、轨道刚度、移动支座变形等对托换结构杆件内力的影响，其中移动支座的变形是托换结构杆件内力最主要的影响因素。为找到一个具有较好精度、计算简单的分析方法，本文采用五种计算模型进行计算，将结果进行对比。支座模拟方式参见图4。四种支座模拟方案的具体方法如下。方案1:不考虑支座的弹性，同时忽略轨道、地基轨道下土的弹性，假设支座按铰接设置。方案2:不考虑支座的弹性，同时忽略轨道、地基轨道下土的弹性，假设支座只受竖直方向约束，竖直方向支座刚度为无穷大。方案3:考虑轨道梁、地基的影响，轨道截面尺寸500mm×1200mm，轨道下地基用弹簧单元模拟［2］，弹簧单元的刚性系数ks=kbl1，式中k为地基基床系数，根据该工程土质情况并参考文献［14］，取k=10000kN/m3;b为轨道基础底板宽度;l1为弹簧单元间距［2］。此时支座采用连接单元设置，单元刚度假设为无穷大。方案4:当采用悬浮滑动支座时，每个支座下的受力是可控的，可直接设定支座反力，进行托换结构内力计算。该工况给定每个斜支撑下支座反力为柱轴力的八分之一。方案5:建立水平托换结构整体式模型。取竖向荷载N为8000kN，分荷支撑倾角为45°。令Rb表示斜支撑下支座反力，Rc表示柱位置处支座反力;以Nb表示斜支撑的内力，Mb为斜支撑上的弯矩。定义分荷效果系数λ=∑Rb/N，λ1=Rb/N，各方案计算结果见表1。由于方案3考虑了上部结构和基础、地基的协同工作情况，计算精度较好。方案1和方案2与方案3相比，分荷效果系数误差也列入表1中。计算结果表明，分荷斜撑有较好的分荷效果，考虑协同工作时，旋转工况下4个斜支撑总分荷效果为47.6%，接近总竖向荷载的50%。如采用悬浮千斤顶，从下反向加荷，可以使分荷效果进一步增大。方案1、2在不考虑轨道梁、地基协同工作时计算误差较大，故在斜支撑内力分析时，不宜采用简化方法。方案5的整体模型与单个模型相比较，分荷效果近似，但整体模型受轨道弧度的影响，斜支撑上受到弯矩增大。由表1还可以看出，分荷斜撑轴向压力较大，弯矩值很小，可以不用考虑，可将分荷斜撑作为轴心受压构件设计。方案3和方案5对比表明，整体式模型和局部独立模型计算的分荷效果基本相同，但在整体模型中，分荷斜撑的弯矩明显增大。

3分荷效果的主要影响因素

3．1斜支撑与柱夹角的影响图5为斜支撑与柱子的夹角α从30°变化到60°变化，斜撑分荷效果系数λ随之变化情况。可以看出，随着角度的增大，斜支撑分担荷载减小。在30°到45°时，λ减小得略缓，当超过45°后，λ急剧减小。当α为60°时，分荷效果系数不足0.3。采用上述截面尺寸的柱、分荷支撑和连梁时，分荷效果系数λ与夹角α的拟合关系式参见式(1)。

3．2斜支撑投影与轴线水平夹角的影响旋转平移工程中，分荷支撑下的移动支座应和弧形轨道重合，柱前后分荷支撑并非图1所示双轴对称形式，而是受该柱所在轨道限制，与轴线有一定的偏转角。设前后分荷中心线水平投影与横向轴线的夹角为θ(图6)，分荷效果系数λ随夹角θ的变化曲线参见图7。分析结果表明，随轨道曲率的大，斜支撑分荷效果明显降低。当斜支撑相对托架旋转14°时，分荷效果仅达到28.8%，效果很不明显。所以当轨道曲率较大时，在设计中应注意分荷效果的降低现象，可采用较小的α以取得较好的分荷效果。

3．3斜支撑截面尺寸的影响为考察斜支撑面积增减对分荷效果的影响，设斜支撑截面与柱面积比用γA表示。分析表明，分荷效果系数λ随截面尺寸的增大，截面积比γA减小近似成线性增长，但变化幅度不大(图8)。当支撑截面尺寸从350mm×350mm增大为500mm×500mm，面积增大约一倍，γA由0.218增大至0.446，λ从0.48增长至0.53，增加约10%。拟合关系式为:λ=0.3γA+0.41。可见，通过增大斜撑截面尺寸不是提高分荷效果的有效方法。

3．4水平连梁的截面尺寸与高宽比本工程中下托架截面选用400mm×450mm，图9为保持托换结构水平连梁截面高宽比不变、λ随连梁与柱子面积比γB的变化曲线。由图9可以看出，随着水平连梁截面尺寸减小，分荷效果略有增加，但并不明显。图10为当保持托架连梁截面面积不变，变化截面的高宽比h/b时λ的变化情况。可以看出，随着高宽比的增大，斜支撑分担的荷载在减小，柱下支座分担荷载增大，但变化值较小。上述现象的原因是连梁刚度较小时，分荷支撑与连梁交接处产生的向上的竖向位移较大，斜支撑轴力增大，传力效果略好。需要特别注意，连梁需同时承担竖向荷载和房屋移动时的水平荷载，用增大梁高、减小梁宽的方法提高分荷效果并不可取。设计时应适当增大连梁截面，以增强托换结构整体性。

3．5移动过程中水平力的影响以弹簧支座模拟移动支座，建立整体托架模型，将平移过程中水平动力和移动支座摩擦反力施加在托架相应位置，施加水平力后的分荷效果参数计算结果列入表2中。由表2和表1方案5中数据对比可知，两者相差不大。

4结论

通过对濠景大厦旋转平移工程多支撑分荷结构分荷效果的分析，可得出以下结论。1)在旋转平移工程中采用分荷结构是可行的。2)在计算分荷结构内力时，宜采用上部结构与轨道协同分析方法，以取得较好的计算精度。整体模型与单柱模型相比，计算分荷效果差别不大，但单柱分析时斜支撑弯矩计算结果明显偏小。3)构件设分荷支撑可近似按轴心受压构件设计。4)斜支撑与柱竖向夹角、与轴线的水平夹角对分荷效果影响较大，设计时，建议取较小的竖向夹角，且不宜超过45°。斜支撑和连梁截面尺寸、是否施加水平力对分荷效果影响不大。

作者：曹兆娜张芬芬王伟单位：河海大学土木与交通学院