Midas／gen在施工过程仿真分析中的应用

Midas/gen在施工过程仿真分析中的应用
摘要：本文研究了通用有限元软件Midas/gen 7.8，在施工过程仿真分析中的应用。

通过对某高层组合结构模型的施工过程仿真分析，探讨了施工过程中部分结构构件内力、应力和位移等变量的演化历程。

关键字：施工过程、仿真分析、Midas/gen、高层组合结构
1、引言
近年来，高层结构在我国得到了广泛的应用其造型也越来越多样化，施工难度越来越大。

按照实际施工工况来模拟结构在施工过程中及建成后的力学和几何状态显得越来越有必要。

高层结构在施工过程中，受具体施工方案、临时施工荷载、混凝土收缩徐变、环境温度场变化等诸多因素的影响。

在施工过程中，结构的刚度、变形、内力状态等都是不断变化的。

结构构件的最大应力和变形可能发生在施工期间。

依据新版《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）对结构进行性能化的抗震设计及结构弹塑性分析时，也要求设计人对复杂高层结构进行施工过程仿真分析，并以施工全过程完成后的静载内力为计算初始状态。

当施工方案与施工仿真计算不同时，应重新调整相应的计算过程。

2、Midas/gen施工过程仿真模块介绍
Midas/gen是一款大型通用有限元分析软件，曾应用于奥运会主体育馆(鸟巢)、国家游泳中心(水立方)、广州新图书馆等4500多个工程项目[1]，实践证明其能够满足工程设计和分析的精度要求。

Midas/gen施工过程仿真模块具有如下几个特点：1、内含各种高性能的有限元单元，用户界面友好，加入了国内的混凝土和钢结构等设计规范，能与CAD 以及其它有限元程序进行数据的交换，具有卓越的输入和编辑功能；2、通过钝化和激活结构组、荷载组、边界组实现对施工过程的模拟。

3、可考虑材料的时间依存特性（抗压强度、徐变、收缩等），可考虑任意构件的产生与消失、任意荷载的施加与卸载，并且可以实现施工过程耦合计算。

Midas/gen的施工过程仿真分析可以通过如下步骤实现：
1、建立模型、定义施工阶段。

按施工方案设计，将各个施工阶段出现的单元、荷载、边界条件编入相应的分组，定义各个施工阶段及其持续时间。

2、指定收缩、徐变等材料特性。

可选择中国规范、ACI规范、CEB-FIP规范或用户自行定义。

3、连接时间依存性材料与一般材料特性。

软件可自动计算不同时刻的混凝土构件材料力学性能的变化。

4、施工阶段分析控制数据。

定义是否考虑抗压强度变化、是否考虑收缩徐变、计算徐变的反复计算次数及收敛条件等控制数
据。

5、运行分析。

有限元分析过程中可对照信息栏，检查前面定义数据是否正确。

6、查看分析结果。

可以表格、数值、应力云图等形式查看各单元的应力、轴力、弯矩，各节点的位移等计算结果。

图1 计算模型平面布置图
3、计算模型
本文计算模型为一平面规则具有一般性的高层组合结构。

地下1层，地上29层，共30层。

如图1，内筒为钢筋混凝土剪力墙，外钢框架由方钢管混凝土柱与I字型钢梁组成，标准层层高为3.3 m。

主要设计参数为：1至15层，钢框架柱截面尺寸为900x900x36mm，剪力墙厚380mm，混凝土强度等级为C40。

16至30层，钢框架柱截面尺寸为800x800x32mm，剪力墙厚320mm，混凝土强度等级为C30。

4、仿真过程结果分析
依据施工方案，将本结构划分为10个施工阶段（每3层为一个施工阶段）。

在Midas/gen中建立模型时，钢框架柱、钢梁均采用梁单元，楼板和混凝土核心筒采用板单元。

收缩徐变按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）取值，混凝土抗压强度发展计算按欧洲规范（CEB-FIP）取值，水泥种类取为N，R: 0.25即普通或早强水泥，相对湿度取为70% 。

浇筑后混凝土开始发生收缩的材龄取为3天，施工进度按每3天完成一个标准层。

本文施工过程仿真分析采用正装分析方法[2]，即按照实际的施工顺序依次拼装结构，下一施工阶段模型继承上一个阶段模型的分析结果（内力和位移等），可以考虑施工中各种荷载因素的影响（包括结构自重、施工荷载、混凝土收缩徐变等），因而能较好地模拟结构的实际施工过程。

该结构包含混凝土核心筒体与钢框架两大组成部分，这两大组成部分在力学与材料特性上有着明显的区别。

混凝土核心筒体部分混凝土用量大且存在着明显的收缩、徐变特性，而钢框架部分则没有。

这将使得整体结构的两大部分在施工过程及建成后产生不断增大的变形差，在结构中产生较大的次生应力。

图2 施工阶段10位移云图图3 框架梁端特征单元a剪力变化历程图4 框架柱特征单元b轴力变化历程
（1）第10施工阶段竖向位移达最大值。

由图2（红色表示位移值大）可知，本文高层组合结构模型在施工过程仿真分析中较大竖向位移出现在中部楼层，底层和顶层竖向位移均较小，且混凝土核心筒体竖向位移值比钢框架柱要大。

因为分配的恒荷载较小，角柱的竖向位移较普通框架柱的竖向位移要小些。

图3所示框架梁端特征单元a位于首层框架梁上（见图1），其梁端剪力随施工阶段数增
加不断增大。

这是因为，混凝土核心筒体与钢框架柱间的位移差将由具有一定剪切刚度的水平钢梁来调节，从而在水平钢梁中产生逐步增大的附加应力。

为减小这种附加应力对结构的不利影响，建议在实际施工时对水平钢梁与混凝土筒体内的锚固板节点连接处，先铰接连接待竖向位移差发展充分后再进行焊接。

（2）施工过程中构件内力和位移主要由恒荷载控制，受收缩徐变等因素影响。

图4中框架柱特征单元b位于首层（见图1），分别给出了考虑收缩徐变（三角形所示）和不考虑收缩徐变（方形所示）时该柱的轴力演化历程。

可知，随施工阶段数增加柱轴力呈线性增长趋势，前6个施工阶段收缩徐变对该柱轴力影响不大。

但此后4个施工阶段，不考虑收缩徐变较考虑收缩徐变该柱计算轴力要明显大一些（最大差值为970KN），且不断增大，存在着较大差别。

另外不同的计算方法对施工过程仿真分析也有较大影响，Midas/gen考虑实际施工方案和加载条件的正装计算方法与在整楼模型下一次性加载的传统计算方法相比较，分析结果也是不同的。

5、结语
本文主要介绍了Midas/gen的施工过程仿真分析模块，并以某高层组合结构为例对分析结果进行了简要分析。

对某些结构体系及施工工艺复杂的高层结构进行施工过程仿真分析是十分必要的，其分析结果可应用于设计人发现内力及变形的数值或变化量较大的典型构件，可指导施工方的施工监测与实际施工方案的设计（如预起拱、设置后浇带等），可以在一定程度上确保施工后的结构内力和外形状态与设计要求相一致。

参考文献
北京迈达斯技术有限公司．Midas/gen用户手册[M] ．
蒙晓莲，徐郁峰，苏成，杨汉伦．广州新图书馆施工过程仿真分析［J］．土木工程学报，2010 ，43(5) : 45- 50．
董志军，腾军，郭伟．深圳京基金融中心的施工过程力学性能分析［J］．建筑结构学报，2009（增刊1）:409-412．。