CFRP索悬挂结构试点工程施工力学分析*
蔡文华13，郁步军²，张继文”，梁书亭3
（1.盐械工学院土木学院，江苏盐域224051；2.盐城工学院基建处，江苏盐械224051；3.东南大学混凝土及预应力泥凝土结构教育部重点实验室，江苏南京210096）
[摘要]悬挂建筑结构具有良好的抗震性能和空间灵活性，但作为其主要受力部件的钢索，则常易出现铸蚀、疲劳 等问题，为此，将高强CFRP箭制成索代替预应力钢筋用于悬挂建筑结构，设计了一幢全CFRP索悬挂建筑结构，分析了其拟定施工过程主要构件的受力和变形情况，并与一次加载的结果进行对比.研究表明，本文对设计的CFRP索悬挂建筑结构进行的施工模拟分析是必要的，可以较为准确地反映恒载作用下结构的内力分布.
[关键词]CFRP索；悬挂结构；力学分析；数值模拟；施工
[中图分类号]TU399 [文献标识码]A [文章编号]1002-8498（2016）20-0028-04
Mechanical Analysis of Construction on the CFRP Cable SuspendedStructurePilotProject
Cai Wenhua * Yu Bujun² Zhang Jiwen? Liang Shuting’( 1. College of Cisi Engineering Yancheng Institute of Technology Yancheng Jiangsu 224051 Chine;2. Infrastracture Deparment Yancheng Instiute of Technology Yancheng Jiangsa 224051 China ;3. Key Laboratry of Gncree and Prestreed Conrete Snctare f Ministy ef Edtio Southeas Unisersity Nanjing Jiangsa 210096 Chin)
Abstract ; The suspended structure has a good seismic performance and space flexibility but as its mainhigh-strength CFRP tendons instead of pre-stressing steel made of rope are used in suspended structure. force ponents the cable is offen prone to corrosion fatigue etc. In order to solve these problems A whole CFRP cable suspended structure is designed and then the force and defornation of mainponents in the construction process are analyzed which is pared with loading time. The resultsshow that sequential construction analysis can reflect the inner force distribution accurately under the dead load which proves the necessity of the structural mechanical behavior model.
Key words; CFRP cable; suspended structures; mechanical analysis; simulation; construction
的抗震性能和空间灵活性已日益受到工程界的关 注，但目前对其研究主要集中于理论与试验研建筑形式具有鲜明的表现力外，其独特的传力方究，实际工程应用很少.这主要由于其受力式：悬挂楼层→主体结构→地基基础，传力途径清与传统结构有着明显差别，使其施工技术发生了很断，更符合自然受力原理.大变化.另外，新材料的应用也将给此类结构的施的基础上，设计一幢全CFRP索悬挂建筑结构，分析挂结构和巨型框架悬挂结构减振性能的对比分析 工带来一定困难.因此，在对国内外工程实例学习其施工模拟方法，给出其主要构件的受力、变形情可知，核筒悬挂减振结构体系更具优势，故在核筒况，并将其与一次加载结果进行对比.
随着建筑技术的发展，悬挂建筑结构以其良好1CFRP索悬挂建筑结构概况
作为一种新型结构体系，悬挂建筑结构除了其
悬挂结构体系是将高性能CFRP筋制成索用来承担各悬挂楼层的荷载，视觉效果良好.由核简慧悬挂减振结构的静动力特性研究的基础上，此试点构规模较小，可用连梁相连的柱子来代替核简，这 工程拟采用核筒慧挂减振结构体系.但考虑到结样既节省材料，又增加结构的通透性.因各柱间有连梁相连，像是格构状简体，故这种结构体系被称
CFRP索悬挂减振结构.其建设场地为10mx8m， 为格构筒悬挂结构体系.该建筑将成为国内首座总建筑面积为96m²，地上2层，建筑高度9.05m，层高3.3m，底层楼板挑高2.45m布置，底部悬空空间设计为车库，一楼布置了办公用房，二楼作为公司产品展览室.该建筑结构平面如图1所示.结构中采用的CRFP索由4根CFRP筋通过环氧树脂封装 的黏结型锚具系统制成，具体性能参数见文献[7].
a 1层平面
Fig. 1 Building strueture plane 图1建筑结构平面
2施工过程力学分析
一般的多层、高层建筑结构可采用考虑施工过程力学分析的状态叠加法[*"，将施工顺序对结构形成影响的状况真实地模拟出来，即按施工顺序中 结构形成的方式逐层加载.
本文所研究的CFRP索悬挂减振结构虽与多、高层建筑在施工阶段的划分、结构各阶段的受力状态上有差别，但可借鉴上述理论对其各施工阶段的受力情况进行分析.图2给出了试点工程施工过程
万方数据
结构的实际状态.
第1施工阶段中：
第2施工阶段：
以此类推，可给出第3，4，5施工阶段中（通用n表示）：
叠加后最终结构的位移及内力：
式中：K为第i施工阶段中新增结构的单元刚度矩阵；k第：施工阶段阶段性结构的单元刚度矩阵：U为第施工阶段阶段性结构的节点位移向量；P为第i施工阶段新增结构节点力向量；A为第i施 工阶段阶段性结构的几何矩阵；N为第：施工阶段阶段性结构的内力向量；U为最终结构的节点位移向量；N为最终结构的内力向量.
3施工过程模拟分析
施工模拟本质上是一种分阶段变刚度分析方法.对应于施工状态的每个实际阶段，分别对阶段结构状态施加阶段荷载；不同施工阶段间状态叠加，即后一阶段的起始状态是前一阶段结束状态，结构变形、内力分别在各阶段中与前一阶段中锁定 变形、内力相叠加，从而实现实际结构施工的过程模拟.
采用考虑轴向变形的弯曲杆单元有限元分析模拟CFRP索悬挂减振结构试点工程的施工过程及其相应的结构反应.
根据CFRP索悬挂结构试点工程中各构件的设计尺寸，分别建立主体、各悬挂楼层吊装各阶段的模型，其上作用的竖向荷载设为2.5kN/m²，分析结构的内力及变形情况，并进行叠加（见图3），即可得到结构最终状态的内力和变形情况.
图2施工过程结构实际状态
Fig. 2 The actual state of construction process structure
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
图3各阶段施工状态叠加
Fig. 3 Construetion state superposition at each stage
叠加后所得的结构内力状态如图4所示.
Fig. 4 Simulation results of construction 图4施工模拟结果
结构的变形亦为各阶段变形值的叠加，一次加载模型情况和施工模拟所得的数据如表1所示.
表1一次加载及各阶段施工变形情况
Table 1 Loading and deformation at each
stage of construction mm节点位置结构状态 2 4 6 10 11一次加载 状态1 6.6 0.0 2.9 0.0 1.1 0.0 5.4 0.0 0.0 1.2 6.7 0.0 3.0 0.0状态2 状态3 2.9 4.0 20 1. 1 0.5 2. 3 0.5 2.9 1.2 2.0叠加值 6.9 3.1 0.7 1.2 3. 5 5. 8 0.8 1. 3 4.5 7.4 3.2
注：节点位置栏所对应的1.2.4等编号为各吊点位置，这里采用吊 点编号给出顶层结构对应节点置处的变形万方数据
析，计算结果如图6所示. 建立一次加载模型（见图5），对其进行内力分
图5结构及加载模型
Fig. 5 Structure and loading model
图6 1次加载模拟结果Fig. 6 Simulation results of plete loading
根据计算结果将施工模拟所得的变形状态与所示. 一次加载模型分析的变形状态绘制成曲线，如图7
通过以上模拟悬挂结构施工力学分析的计算结果可得.
结构核心柱的轴力较一次加载时大，悬挂大梁的弯 1）对比图4与图6可知，施工模拟所得的悬挂矩、剪力也较一次加载时大.
2）由表1数据可知，施工模拟所得的各吊索吊点处的竖向位移较一次加载时大.
结构（核心柱）各层的竖向位移较一次加载的节点 3）从图7可知，施工模拟所得的竖向主承载力竖向位移偏大，且越向上偏大的影响越大.
4）从图7还可以得出，施工模拟所得的屋面角
模拟分析计算对于结构设计是非常必要的.因为它是反映结构刚度形成与加载过程关系的准确方 法.本文所述的悬挂结构最终结构体系与过程结构体系有较大差异，适合进行施工模拟分析.通过以上分析，我们认为，施工模拟分析所得内力接近实际，比较合理.
参考文献：
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图7施工模拟变形状态与一次加载变形状态对比Fig. 7 Comparison of the deformation state of construction simulation and the state of loaddeformation of plete loading
部的竖向位移比一次加载时要大，而悬挂楼面的竖向位移在2层楼面角部处比一次加载模型分析的大，但在1层楼面时比一次加载时小.可见采用悬移的影响较小. 挂楼层分别吊挂时，各阶段加载对一层楼面竖向位
4结语
施工模拟分析得到的内力与一次加载有相当大的区别，应认真对待，进行结构竖向荷载下施工
