midas-Gen-钢结构施工阶段分析

MIDASIT荣萌2016.03midasGen钢结构施工模拟分析一.为什么要做施工阶段模拟分析二.高规对施工阶段模拟分析的要求三.midasGen施工阶段模拟分析功能介绍四.实际工程案例分享一.为什么要做施工阶段分析2011年8月8日下午5点30分，海南万宁市发生一起在建大桥坍塌事故2009年12月24日印度1.1施工中发生的事故1.1施工中发生的事故2011年12月5日上午7时30分许，合肥包河大道一截在建“贝雷梁”发生险情，重达300多吨的“贝雷梁”发生倾斜，笨重的钢梁朝东侧发生严重歪倒。1.1施工中发生的事故1.1施工中发生的事故2012年3月12日湖南娄底市发生一起在建大桥坍塌事故，造成总损失高达数亿人民币高达1.08亿元。事后事故鉴定认为，坍塌原因乃过早拆除大桥底部临时支撑所致。可见临时支撑体系拆除方案必须慎重考虑。1.1施工中发生的事故1.1施工中发生的事故1.1施工中发生的事故1.1施工中发生的事故1.1施工中发生的事故1.1施工中发生的事故1.1施工中发生的事故施工阶段使用阶段材料强度、刚度考虑混凝土的徐变、收缩、强度发展材料时变发展较为稳定荷载工况施工阶段荷载施工阶段临时荷载使用阶段荷载恒载、活载（规范）边界条件施工安装设备；临时支撑安装、拆卸边界条件时变边界条件稳定安装方法对钢结构来说，不同的安装方法决定了施工阶段子结构的不同内力、几何形态结构成型结构形态结构依次成型，结构不断发生内力重分布结构时变结构成型施工力学经典力学时变力学质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵中的元素是与时间相关的，计算复杂施工阶段与使用阶段对比1.2为什么要考虑施工阶段模拟？13012345246810121416楼板上部荷载引起的竖向位移施工阶段分析一般分析层竖向位移楼板和下部荷载引起的竖向位移•一般分析:在整体结构上一次加载分析。•施工阶段分析:根据结构的施工工序，考虑结构的模型、边界、荷载的变化的施工顺序分析。1.2为什么要考虑施工阶段模拟？•由于施工顺序和加载条件的不同，实际施工的建筑物的受力情况与建立整个模型后进行结构分析的分析结果是不同的。1.对整个建筑物的模型同时施加荷载时，所施加的荷载会被传递到还未施工的上部楼层，这与实际施工条件不同，会产生误差。2.在各施工阶段的施工荷载会导致竖向构件的不同收缩，通常的分析方法无法反映这种情况，由此也会产生误差。1.2为什么要考虑施工阶段模拟？①安全设计的要求一次性加载时未必所有构件内力都最大最不利内力有可能发生在中间阶段应保证拆除脚手架时钢结构的安全、RC结构的强度和刚度②经济性设计的要求一次性加载对有些构件计算过于偏大(尤其是梁)，造成浪费。框架梁两侧沉降差不真实(过大)造成梁的配筋过大，也可能是造成强梁弱柱的原因之一。注意：设计的浪费不能保证结构的安全！1.2为什么要考虑施工阶段模拟？16建筑使用性能要求建筑安全性能要求•建筑外装修材料的变形•建筑内部隔墙的裂缝•竖向排水管道的变形•电梯轨道的脱落引起的功能障碍•相邻构件间不均匀收缩-楼板倾斜、地面抹面的脱落•不均匀变形引起的楼板和梁的附加应力•伸臂桁架应考虑附加应力或设置可以吸收附加应力的连接WL122wL122wLL+26LEI26LEI不均匀变形引起的附加应力需要对结构进行加固处理/131.2为什么要考虑施工阶段模拟？施工模拟3D3SSAP2000midasGenANSYSABAQUS实现方法有专门的施工模拟模块有专门的施工模拟模块有专门的施工模拟模块生死单元的概念ekill，ealive缩小杀死单元的刚度*modelchange，remove/add追踪单元优缺点主要针对钢结构后处理不够强大后处理与中国规范结合不好后处理与中国规范结合好操作复杂，效率低操作复杂，效率低有限元软件施工模拟的实现1.2为什么要考虑施工阶段模拟？①超高层建筑逐层施工逐层加载的模拟：竖向构件轴压比、梁内力(竖向沉降差引起的)伸臂桁架：后闭合的模拟框筒结构：先施工内筒再施工外筒的模拟SRC结构：先施工钢结构再浇筑混凝土的模拟②钢结构网架：吊装及拆除支架顺序对网架内力的影响③预应力结构：分阶段张拉的效应和预应力损失④基坑支护：施工过程中内力变化较大⑤超厚楼板或筏板：分层浇筑的水化热分析⑥超长楼板：分块浇筑(变形缝、后浇带、跳仓法)的水化热分析1.3什么样的结构需要做施工阶段模拟分析19135791113151705101520DifferentialShortening(mm)Level일반해석시공단계13579111315170102030Shortening(mm)LevelCO1C113579111315170102030Shortening(mm)LevelCO1C1梁内力（一般分析）梁内力（施工阶段分析）中高层钢结构建筑一般分析不均匀变形比较施工阶段分析柱剪力墙柱剪力墙•一般分析和施工阶段分析的不均匀变形相差56%•内力相差146%。一般分析=BH-1000x400x18x38施工阶段=BH-900x400x18x3834923920•巨型柱与核心筒之间由8个两层高的外伸桁架连接。•不均匀变形引起的附加应力是主要验算内容之一。为了最大限度地减小相对位移，将内筒和柱子的轴压比设计得比较接近。•为了控制不均匀变形，外伸桁架在施工中设置了孔槽，可以减少施工中不均匀变形引起的附加应力。外伸桁架的上下弦构件和柱的连接上海金茂大厦(外伸桁架)•世界第4高建筑(421m)•中国建筑技术的象征•设计公司:SOM21拼装工程①拼装工程通过拼装过程的模拟分析，分析构件应力和支座反力的变化。②拼装时应考虑的事项拼装顺序拼装时的温度变化位移和支座反力的变化幅度22深开挖基坑工程(1)埋设钢柱(2)开挖地上1层并设置地面系梁(3)安装地上1层钢梁/施工部分楼板(5)施工地下2层及以下各层(5)施工地下最底层并施工基础(6)施工楼板和SRC柱①因为对地下空间的使用要求越来越多，建筑物的地下部分的深度也越来越深。为了节省工期以及考虑城市内施工便利性，采用深开挖工法的实例越来越多。②深开挖过程中，结构的体系、荷载、边界条件都将发生变化，需要通过施工阶段模拟验算整个施工过程的安全性。严格来说：所有结构都应做施工阶段模拟分析！二.高规对施工阶段模拟分析的要求①3.11.4(2)复杂结构应进行施工模拟分析，应以施工全过程完成后的内力为弹塑性分析的初始状态。②5.1.9高层建筑结构在进行重力荷载作用效应分析时，柱、墙、斜撑等构件的轴向变形宜采用适当的计算模型考虑施工过程的影响；复杂高层建筑及房屋高度大于150m的其他高层建筑结构，应考虑施工过程的影响。复杂结构：带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构以及竖向体型收进、悬挑结构。③13.1.4高层建筑施工过程中，不同的施工方法可能对结构的受力产生不同的影响，某些施工工况下甚至与设计计算工况存在较大不同；大型机械设备使用量大，且多数要与结构连接并对结构受力产生影响；超高层建筑高空施工时的温度、风力等自然条件与天气预报和地面环境也会有较大差异。因此，应根据有关情况进行必要的施工模拟、计算。④混合结构11.3.3竖向荷载作用计算时，宜考虑钢柱、型钢混凝土(钢管混凝土)柱与钢筋混凝土核心筒竖向变形差异引起的结构附加内力，计算竖向变形差异时宜考虑混凝土收缩、徐变、沉降及施工调整等因素的影响。•条文说明：外柱与内筒的竖向变形差异宜根据实际的施工工况进行计算。在施工阶段，宜考虑施工过程中已对这些差异的逐层进行调整的有利因素，也可考虑采取外伸臂桁架延迟封闭、楼面梁与外周柱及内筒体采用铰接等措施减小差异变形的影响。在伸臂桁架永久封闭以后，后期的差异变形会对伸臂桁架或楼面梁产生附加内力，伸臂桁架及楼面梁的设计时应考虑这些不利影响。11.3.4当混凝土筒体先于外围框架结构施工时，应考虑施工阶段混凝土筒体在风力及其他荷载作用下的不利受力状态；应验算在浇筑混凝土之前外围型钢结构在施工荷载及可能的风载作用下的承载力、稳定及变形，并据此确定钢结构安装与浇筑楼层混凝土的间隔层数。④混合结构13.10.5核心筒应先于钢框架或型钢混凝土框架施工，高差宜控制在4～8层，并应满足施工工序的穿插要求。13.10.6型钢混凝土竖向构件应按照钢结构、钢筋、模板、混凝土的顺序组织施工，型钢安装应先于混凝土施工至少一个安装节。13.10.7钢框架-钢筋混凝土筒体结构施工时，应考虑内外结构的竖向变形差异控制.•《网架结构设计与施工规程》JGJ7-2010第6.5.7条规定“空间网格结构在滑移施工前，应根据滑移方案对杆件内力，位移及支座反力进行验算，当采用多点牵引时，还应验算牵引不同步对结构内力的影响”。三.midasGen施工阶段模拟功能介绍一次性加载简化施工模拟逐层施工模拟分区施工模拟施工模拟发展过程•0.时间依存性材料的定义、建模•1.结构组、边界组、荷载组的定义•2.分配结构组、边界组、荷载组•3.定义施工阶段•4.施工阶段分析控制•5.查看结果midasGen施工模拟的操作1、结构、荷载、边界的变化-定义组根据施工阶段定义结构组、边界组、荷载组；除用于施工阶段外，在一般分析中也可定义，方便对多个构件统一编辑和结果查看；2、分配结构组、边界组、荷载组分配结构组：利用拖放功能分配结构组；充分利用各种选择功能；激活（F2）全部激活（ctrl+A）2、分配结构组、边界组、荷载组分配边界组：新建模型-定义边界条件时，定义边界组名称既有模型，通过边界的表格统一修改即可注：若选择了默认组，则在施工阶段分析中不能被激活；只能作为施工阶段结束之后的荷载或边界条件；2、分配结构组、边界组、荷载组分配荷载组：定义施工阶段荷载工况荷载类型：在施工阶段加载的荷载中，除了收缩，徐变，预应力荷载之外都要定义为施工阶段荷载（CS）；自重属于施工阶段恒载的范畴，在施工阶段分析中，需要定义到荷载组1里，其他施工阶段由程序自动读取结构自重2、分配结构组、边界组、荷载组分配荷载组：新建模型：可在定义楼面荷载时定义荷载组名称既有模型：可通过楼面荷载表格直接修改对应的荷载组信息对于楼面荷载的荷载组分配，一般推荐采用表格的方式进行修改，比较方便快捷。3、定义施工阶段菜单：荷载-施工阶段-定义施工阶段通过结构组、荷载组、边界的激活、钝化实现3、定义施工阶段“变形前”与“变形后”表示支承点的位置，仅对于边界条件中的“一般支承”起作用，对其它类型的边界条件不起作用。变形前：边界条件应用到变形前的位置；若结构已发生变形，相当于先施加一到初始位置的强制位移；变形后：边界条件应用到变形后的位置；4、施工阶段分析控制最终施工阶段：选择用哪个施工阶段的结果与其他荷载工况(如地震、风荷载等)进行组合。从施工阶段分析结果的恒荷载中分离出的荷载工况施工阶段的分析结果，除收缩徐变和预应力松弛外，都保存在CS：恒荷载下；在此将特定工况结果从CS：恒荷载中分离出来，保存在CS：活荷载下；荷载组合时，施工阶段活载采用与使用阶段活载相同的组合系数；4、施工阶段分析控制CS恒荷载：做施工阶段分析时程序内部把施工阶段施加的所有荷载，在分析结果中都归结为CS恒荷载。CS施工荷载：如果需要查看施工过程中某些荷载（如吊车荷载、风荷载）对结构的影响的话，需要在分析之前，在“分析-分析控制-施工阶段分析控制数据”对话框下，对该荷载从分析结果中的CS恒荷载中分离出来。CS合计：CS恒荷载+CS施工荷载+钢束、收缩、徐变等荷载的合计。postCS：最终施工阶段。对于与其它成桥后作用的荷载进行荷载组合，须在postCS中进行。4、施工阶段分析控制独立模型：不考虑之前阶段的结果，应用该阶段之前的所有单元，荷载和边界条件进行分析，主要用于大变形等几何非线性分析；累加模型：每个施工阶段分析时，均继承上个施工阶段的内力和位移作为初始状态，同时激活当前施工阶段的单元，荷载和边界条件进行分析；可以考虑混凝土的收缩徐变；静力弹塑性分析动力弹塑性分析施工阶段结果结果作为弹塑性分析初始内力状