[发明专利]基于虚拟荷载的施工过程结构内力计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，尤其是涉及一种基于虚拟荷载的施工过程结构内力计算方法，可应用于考虑施工过程结构内力的建筑结构抗震性能预测方法。

背景技术

目前建筑结构的分析和设计都是按照施工完成后的整体结构进行的。但实际结构是逐层建造而成，荷载也逐层加载到逐层形成的结构上，这是结构时变性的主要体现。结构时变性对内力影响不可忽略，若只是按照一次加载的方法来考虑结构的特性是不准确的，甚至是偏于不安全的。为使结构分析过程更加真实地反映结构施工过程的力学状态，保证结构的安全性，建筑结构时变分析方法应运而生。

传统的结构时变分析方法包括弹性时变分析与非弹性时变分析。同济大学曹志远教授在施工过程时变分析领域研究较早，他在《施工力学分析的时变力学基础》中对施工力学时变分析进行了详细的介绍，他阐述了施工过程中的力学特点，提出了土木工程施工力学分析及其时变力学基础的研究方向。其中弹性时变分析方法是结构在不考虑非弹性变形(收缩、徐变、温度和沉降等非荷载效应引起的变形)影响的情况下，通过对施工过程的模拟进行时变分析，进而得到结构的内力时程。傅学怡等学者将施工力学时变分析应用于实际工程中，他在《高层建筑结构垂直荷载下的施工模拟计算》一文中采用了精确施工模拟计算方法，来反映实际主体结构逐层形成、大部分荷载相应随之逐层施加的实际工作状态，进而得出结构的内力时程。该方法思路明确，操作过程简单，在工程设计中应用广泛。

实际上，结构在施工过程中的时变性不仅影响结构在竖向荷载作用下的内力和变形，对结构的抗震性能也会有影响。用于结构抗震分析的初始状态通常是竖向荷载一次性施加到整体结构模型上的结果，而不是考虑施工过程的实际内力状态。同时，结构的弹塑性表现与结构和构件的加载历史有关(陈惠发A.F.萨里普.弹性与塑性力学[M]，北京：中国建筑工业出版社，2004)。由于施工过程引起的结构内力与整体模型不一致，可能导致结构实际抗震性能与预期不一致。因此，考虑施工模拟对结构弹塑性性能的影响也是必要的。

上述的施工模拟分析方法一般需要对施工过程中多个结构体系状态进行分析计算，过程较复杂，计算量较大。当需要考虑施工过程对结构抗震性能影响时，现有的分析方法很难将施工过程模拟与抗震分析结合起来，尤其是大震下的弹塑性分析。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于虚拟荷载的施工过程结构内力计算方法，采用虚拟荷载与自身荷载一次加载到结构上的方式即可得到考虑施工过程的结构内力状态，进而根据结构内力预测建筑结构的抗震性能，而不需采用多步骤的时变结构状态方法，计算过程简明，结果准确。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

基于虚拟荷载的施工过程结构内力计算方法，该方法包括以下步骤：

(1)根据建筑结构选择关键构件及其关键内力的种类；

(2)分别计算建筑结构在一次加载和施工模拟下关键内力f₀和f₁，并计算两者的差值内力Δf=f₁-f₀；

(3)根据需要选取多个虚拟基荷载，计算建筑结构在各虚拟基荷载下关键内力，形成虚拟基荷载内力矩阵S；

(4)通过求解方程组S×c=Δf计算虚拟基荷载的组合系数c，使得虚拟荷载下的结构关键内力与差值内力Δf相同或相近；

(5)最后将虚拟荷载与结构自身荷载一次加载到结构上，得到考虑施工过程的结构内力。

所述的关键构件包括框架梁、框架柱和剪力墙；

所述的关键内力包括梁端弯矩、墙和柱端弯矩轴力。

所述的计算建筑结构关键内力f₀和f₁采用的方法分别为弹性分析方法和弹性时变分析方法。

所述的步骤(3)中，虚拟基荷载主要为节点集中力对。

所述的步骤(3)中，相近是指结构关键内力与差值内力Δ_f间误差小于设定值。

所述的设定值为结构关键内力的5％～10％。

与现有技术相比，本发明针对目前无法考虑施工过程对结构抗震性能影响的现状，提供一种可以通过一次加载来模拟考虑施工过程的结构内力计算方法，采用虚拟荷载与自身荷载一次加载到结构上的方式即可得到考虑施工过程的结构内力状态，而不需采用多步骤的时变结构状态方法，该方法计算过程简明，结果准确，并基于这种结构内力计算方法，建筑结构的抗震性能分析预测便可以在考虑施工过程模拟的结构上进行。

附图说明