迭代纠偏结构变形的高层建筑施工方法及高层建筑

1.本发明属于建筑技术领域，具体涉及一种迭代纠偏结构变形的高层建筑施工方法及高层建筑。


背景技术：

2.高层建筑是如今城市建设中不可忽略的建筑形式，其建筑体量大、施工难度大，是建筑结构领域的公认的难题。常见的高层建筑均采用框架-核心筒结构，其中核心筒结构主要采用混凝土材料，混凝土的变形机理较为复杂，除加载时即刻产生的弹性变形，还有其独有的徐变变形以及受环境影响的收缩变形。徐变变形是混凝土构件在受荷时，应变随时间不断增加的特性。由于徐变和收缩的影响，混凝土构件在建造后很长一段时间内还会持续发生较大的变形，对后续施工和结构使用都有不利的影响。因此，需要合理预测混凝土的累计变形，在施工时采取合理的补偿措施，以满足施工标高和垂直度的准确性。
3.针对高层结构施工过程中的变形，已有的工程案例中通常在设计阶段进行一次性考虑。即在设计阶段计算出结构预计的变形，则施工时参考预计的变形进行补偿，使结构变形之后能够恰好达到设计要求的尺寸，该方法在一定程度上减少了结构后期变形带来的不利影响。但混凝土的变形受环境和加载状况影响较大，因此设计阶段预估的结构变形往往与建成结构的实际变形有较大的差距，从而导致结构最终仍然可能产生较大的变形。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有建筑结构的预估变形与建成结构的实际变形存在较大差距的问题，提供一种迭代纠偏结构变形的高层建筑施工方法及高层建筑。
5.第一方面，提供一种迭代纠偏结构变形的高层建筑施工方法，包括以下步骤：
6.步骤1、建立高层建筑结构的有限元模型；
7.步骤2、基于所述有限元模型和预设的施工工序，利用有限元软件对结构进行施工分析，计算出结构施工的预计变形，得到结构预测变形数据；
8.步骤3、基于所述结构施工的预计变形，提出结构施工初步的纠偏方案；
9.步骤4、基于所述纠偏方案给定的施工数据进行结构施工，并监测结构施工的实际变形，得到结构实测变形数据；
10.步骤5、判断所述实测变形数据与所述预测变形数据是否相符合：
11.若否，则以所述实测变形数据为基准，修正所述有限元模型，得到计算的预测变形数据与实测变形数据相符的修正模型，并基于所述修正模型计算的预测变形数据修正并更新所述纠偏方案，返回所述步骤4；
12.若是，返回所述步骤4继续进行结构施工；直至结构竣工。
13.进一步，所述步骤5中，当满足以下条件之一时，认定所述实测变形数据与所述预测变形数据不相符合：
14.△dnj
》1.1
△dmj
[0015][0016]
其中，δd
nj
为第j层结构的预测变形数据，δd
mj
为第j层结构的实测变形数据，nc为结构已建成的层数。
[0017]
进一步，所述步骤3中初步的纠偏方案提出的方法包括：
[0018]
步骤31、将所述预测变形数据按照等大反向的原则添加至所述有限元模型中，重新计算出结构施工的预计变形和预测变形数据；
[0019]
步骤32、若重新计算出的所述预测变形数据不满足以下条件，则返回所述步骤31，直至以下条件满足：
[0020]
△dnj
《hj/1000
[0021][0022][0023]
其中，δd
nj
(j＝1,2,
…
,n)为第j层结构的预测变形数据，hj为第j层结构的层高，n为结构设计层数；
[0024]
步骤33、以最后一轮的预测变形数据δd
nj
为基准，按照等大反向的原则，作为结构施工各节点坐标补偿的初始值，得到纠偏方案和施工数据。
[0025]
进一步，所述步骤4中进行结构施工，并监测结构施工的实际变形的步骤包括：
[0026]
将所述高层建筑结构划分为多个施工段，并逐一施工段的进行结构施工；每施工一个施工段时，在该施工段设置一组监测点，监测形式为以地面为参考系的绝对位移测量，以用于监测该施工段的结构施工的实际变形。
[0027]
进一步，每个所述施工段包括所述高层建筑结构的若干个楼层，所述高层建筑结构包括分布在每个施工段的框架中柱、框架角柱以及核心筒墙体；每个施工段的监测点设置在所述框架中柱、框架角柱以及核心筒墙体上。
[0028]
进一步，所述监测结构施工的实际变形包括监测结构的竖向变形和水平变形。
[0029]
进一步，每个所述施工段的高度h应满足如下公式：
[0030]
h《h/15
[0031]
式中，h为高层建筑结构的高度。
[0032]
进一步，所述步骤1建立高层建筑结构的有限元模型的方法包括：
[0033]
根据既定条件，设计结构的梁、柱、墙、板构件，并利用有限元软件对设计的结构进行初步的整体建模，得到所述有限元模型。
[0034]
第二方面，提出一种高层建筑，采用上述任一项实施方式的方法施工完成，所述高层建筑包括使用混凝土作为建筑材料的结构体系。
[0035]
进一步，所述高层建筑包括核心筒结构及设置在核心筒结构周围的框架结构，所述框架结构包括混凝土填充钢管柱和钢梁，所述核心筒结构包括混凝土结构。
[0036]
本发明的有益效果包括：
[0037]
(1)通过监测结构施工的实际变形，利用实测变形数据对有限元模型进行修正，使修正模型计算的预测变形数据更接近实际情况，并基于修正和更新后的纠偏方案继续进行
结构施工，使结构在竣工后的最终变形与设计要求趋于一致。另外，在保证结构整体变形在合理范围内的同时，也能避免在结构某一层进行较大幅度施工补偿。
[0038]
(2)普适性较好，对于所有使用混凝土为建筑材料的高层结构，均可采用该方法对结构的施工中变形进行控制，提升施工精确度。
[0039]
(3)模拟程度高，以实际的施工顺序作参考，在有限元软件中控制各结构构件的生成，以模拟施工工况，可以计算出接近实际情况的结构变形。
[0040]
(4)可信度高，有限元模型根据施工中实测变形数据不断进行迭代更新，并用于纠偏方案的迭代修正，逐渐提高结构变形预测和控制的准确度。
[0041]
(5)可操作性强，在结构中布置监测点、调整施工坐标均是容易实现的措施，易于应用。
附图说明
[0042]
图1为本发明方法的流程示意图。
[0043]
图2为本发明方法的有限元模型的结构示意图。
[0044]
图3为本发明混凝土材料参数示意图，其中，(a)为混凝土的弹性模量，(b)为混凝土的徐变系数，(c)为混凝土的收缩系数。
[0045]
图4为本发明方法的有限元软件中定义的施工顺序结构示意图。
[0046]
图5为本发明方法的一个施工段的一组监测点的布置位置结构示意图。
[0047]
图6为本发明方法的实测变形数据与有限元模型施工分析的预测变形数据的比对示意图。
具体实施方式
[0048]
以下结合附图1至附图6和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0049]
本发明提出一种迭代纠偏结构变形的高层建筑施工方法，基于实际的施工工况，在有限元软件中对结构模型进行施工分析，预测高层建筑结构的施工变形，根据计算结果提出针对结构变形的施工补偿。在实际施工过程中，实时监测结构变形，基于监测数据或称实测变形数据对结构有限元模型进行修正，并在修正的有限元模型基础上计算出新的施工补偿数据。本方法通过多次迭代计算和调整以将结构施工变形控制在预测范围内，满足竣工验收的标准，以达到合理预测变形、有效控制未来变形的目的。
[0050]
如图1所示，本发明提出的迭代纠偏结构变形的高层建筑施工方法，包括以下步骤：
[0051]
步骤1、建立高层建筑结构的有限元模型。
[0052]
具体的，步骤1包括：根据既定条件和结构设计规范，设计结构的梁、柱、墙、板等构件，并利用有限元软件对设计的结构进行初步的整体建模，得到所述有限元模型。以附图2所示的结构的有限元模型为例，本实施例中的结构为32层框架-核心筒结构，总高度为160m，框架部分采用混凝土填充钢管柱和钢梁，核心筒采用混凝土材料。其中，如图3所示为混凝土材料参数，包括弹性模量增长曲线、徐变系数、收缩系数，其中(a)示意混凝土弹性模量增长曲线、(b)示意混凝土徐变系数、(c)示意混凝土收缩系数。
[0053]
步骤2、根据结构的特点和相应的施工方法，预设施工顺序，基于所述有限元模型
和预设的施工工序，利用有限元软件对结构进行施工分析，计算出结构施工的预计变形，得到结构预测变形数据。在有限元软件中定义的施工顺序如图4所示。
[0054]
有限元分析是结构分析中常用的方法。该方法将结构的梁、板、柱、墙及节点划分为有限的物理单元组成的整体，能够较为准确的反应结构物理特性，在静力学、动力学分析方面都有广泛的应用。在有限元分析中，通过控制单元的生成时间，反映各结构构件的施工顺序，可以有效地模拟结构的施工过程，从而为计算结构的施工过程变形提供条件。
[0055]
步骤3、基于所述结构施工的预计变形，以施工坐标的形式提出结构施工初步的纠偏方案；在实际施工中，按照纠偏方案所给的施工数据进行施工。
[0056]
其中，纠偏方案提出的方法具体包括：
[0057]
步骤31、将所述预测变形数据按照等大反向的原则添加至所述有限元模型中(即将-δd
n-1,j
添加到有限元模型中)，重新计算出结构施工的预计变形和预测变形数据；
[0058]
结构纠偏方案的预测变形数据的计算和迭代如下表1：
[0059]
表1结构预测变形数据的计算和迭代
[0060]v1
△d11
△d12
△d13
…△d1nv2
△d21
△d22
△d23
…△d2n
………………vn
△dn1
△dn2
△dn3
…△dnn
[0061]
其中，v1～vn是迭代计算的次数，δd
ij
代表第i次迭代中第j层结构的预测变形数据。
[0062]
步骤32、若重新计算出的所述预测变形数据不满足以下条件，则返回所述步骤31，直至以下条件满足：
[0063]
△dnj
《hj/1000
[0064][0065][0066]
其中，δd
nj
(j＝1,2,
…
,n)为第j层结构的预测变形数据，hj为第j层结构的层高，n为结构设计层数。
[0067]
步骤33、以最后一轮的预测变形数据δd
nj
为基准，按照等大反向的原则，作为结构施工各节点坐标补偿的初始值，得到初步的纠偏方案和施工数据。
[0068]
需要说明的是，后续的纠偏方案是在保持已施工结构不变的基础上，对后续施工的结构提出的纠偏方案的修正。
[0069]
步骤4、基于所述纠偏方案给定的施工数据进行结构施工，并监测结构施工的实际变形，得到结构实测变形数据。
[0070]
具体的，本实施例将所述高层建筑结构沿高度方向划分为多个施工段，并逐一施工段的进行结构施工；每施工一个施工段时，在该施工段设置一组监测点，监测形式为以地面为参考系的绝对位移测量，以用于监测该施工段的结构施工的实际变形。本实施例中，所述监测结构施工的实际变形包括监测结构的竖向变形和水平变形。比如，采用gnss等定位仪器对结构的水平变形、竖向变形进行监测，监测精度应达到
±
1mm。
[0071]
每个所述施工段包括所述高层建筑结构的若干个楼层，每个所述施工段的高度h应满足如下公式：
[0072]
h《h/15
[0073]
式中，h为高层建筑结构的高度。
[0074]
本实施例中的施工段包括3至5个楼层。
[0075]
所述高层建筑结构包括分布在每个施工段的框架中柱、框架角柱以及核心筒墙体；每个施工段的监测点设置在所述框架中柱、框架角柱以及核心筒墙体上，如图5所示，图5中圆圈示意位置即为监测点设置位置。
[0076]
步骤5、判断所述实测变形数据与所述预测变形数据是否相符合：
[0077]
若否，则以所述实测变形数据为基准，修正所述有限元模型，得到计算的预测变形数据与实测变形数据相符的修正模型，并基于所述修正模型计算的预测变形数据修正并更新所述纠偏方案，返回所述步骤4；
[0078]
若是，返回所述步骤4继续进行结构施工；直至结构竣工。
[0079]
当满足以下条件之一时，认定所述实测变形数据与所述预测变形数据不相符合：
[0080]
△dnj
》1.1
△dmj
[0081][0082]
其中，δd
nj
为第j层结构的预测变形数据，δd
mj
为第j层结构的实测变形数据，nc为结构已建成的层数。
[0083]
当某一个施工段完成施工，并开始新的施工段施工时，设置新的一组监测点，并读取上一组监测点的实测变形数据，比对实测变形数据与有限元模型施工分析的预测变形数据，如图6所示。若实测变形数据与有限元模型在同一施工段的结构的预测变形数据不一致，则按照实测变形数据对有限元模型进行修正，得到计算的预测变形数据与实测变形数据相符的修正模型，并基于修正模型提出新的补偿方案，指导后续施工补偿，该新的补偿方案的提出方式采用步骤3中初步的纠偏方案和施工数据的提出方式。
[0084]
基于同一发明构思，本发明还提出一种高层建筑，采用上述方法施工完成，所述高层建筑包括使用混凝土作为建筑材料的结构体系。
[0085]
在一个实施例中，所述高层建筑包括核心筒结构及设置在核心筒结构周围的框架结构，所述框架结构包括混凝土填充钢管柱和钢梁，所述核心筒结构包括混凝土结构。
[0086]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，同样也应视为本发明的保护范围。