[分享]基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法

发表于2018-10-02     1477人浏览     1人跟帖     总热度:687  


由于目前很多项目在主楼施工阶段都需要在地下室顶板设置走车通道,如何更好更快地对顶板承载力进行复核验算成为了一个非常迫切的需求。参数化技术因其对复杂情况良好的适应性,已经日益成为设计领域的重要工具。以Rhinoceros-Grasshopper软件作为参数化工具,结合Sap2000 进行顶板承载力分析。通过对实际项目的加固验算、成本测算和实施跟踪,证明了此方法具有推广价值。同时,也是参数化设计在施工应用中的一种尝试。
0 引言

目前,由于城市规划的日渐完善,导致很多项目施工现场的场地空间紧张,在地下室顶板上设置加工区及大型车辆进出非常普遍。很多项目在遇到地下室顶板走大型车辆时,对顶板采用了满堂架加固。但是,往往看似安全的做法,却因为在无须加固的部位进行了加固,在需要加密回顶的部位却又没有加密,最终造成了投入大量人力物力财力,却仍然出现了顶板开裂等质量问题。
因此,顶板临时走车加固方案急需一种切实可行的优化方法,提高顶板加固的可靠性及经济性。

1 现有计算方法

在施工阶段,地下室顶板走车时,往往是不存在覆土的,因此车辆荷载是以集中力的形式传递至顶板。而设计单位在进行顶板设计时是以等效均布荷载的方式进行设计的,因此两者进行比较时需要进行转化。目前主要采用《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)附录C提供的方法进行集中力与等效均布荷载的换算。
1.1规范计算方法
根据《建筑结构荷载规范》[1] 附录C 的方法,主要是通过利用跨中弯矩等效的原则将集中荷载转换成等效均布荷载。具体如下:
(1)单向板等效均布活荷载qe可按下式计算:
qe=8Mmax/bl²(式1.1-1)
式中:Mmax——简支单向板的绝对最大弯矩,按设备的最不利布置确定。
(2)双向板的等效均布荷载可按与单向板相同的原则,按四边简支板的绝对最大弯矩等值来确定。
(3)计算Mmax 时,设备荷载应乘以动力系数,并扣去设备在该板跨内所占面积上由操作荷载引起的弯矩。
但是,由于荷载的实际情况往往并不是刚好在板跨中间,即最大弯矩通常并不是在跨中出现,所以采用规范算法将会产生较大的偏差。
在《建筑结构设计问答及分析》一书中,朱炳寅论述了覆土很薄、局部作用面积小的双向板采用等效均布荷载算法将产生明显不合理的计算结果。
1.2异形板的计算
《荷载规范》中的等效算法针对的主要是四边支承矩形板,但是地下室顶板由于结构布置的复杂性,往往存在较多复杂形状的楼板,因此一般情况下无法利用规范算法进行计算,需要借助有限元分析程序对复杂楼板的受力进行分析。在顶板走车承载力复核时,目前无论手算还是一些常见的结构小程序,无法满足使用要求。
2 基于Grasshopper参数化建模计算方法
考虑到目前顶板走车加固的情况较多,建立一种参数化的通用计算方法将具有很大的实际意义。目前在结构分析领域,使用较为普遍的参数化建模软件主要是RHINO的Grasshopper插件(以下简称GH)。
2.1控制参数的选取
建立参数化计算模型,首先需要确定控制参数,也就是模型的变量。在对走车范围内的板进行承载力复核时,需要搜集的条件如下:
(1)板的形状及几何尺寸;
(2)车辆的型号,即轴距、轮距和几何尺寸;
(3)车辆行进方向;
(4)车辆行进时的最不利位置。
根据此四个条件,确定计算模型的控制参数如下:
(1)顶板的角点坐标
以左下角角点为坐标原点,从左往右为x 轴,从下往上为y 轴,建立角点坐标,用于控制板的形状和几何尺寸;
(2)轮距
确定不同型号车辆的轮胎横向间距;
(3)轴距
确定不同型号车辆的车轴纵向间距;
(4)轮胎角点坐标
用于确定轮胎在板上的定位,以左下角轮胎为定位依据,在(1)中的坐标系中确定轮胎角点坐标,同时用于控制车辆的最不利位置;
(5)车辆行进方向角度
用于确定车辆在板上的行进方向,0 度表示车辆沿(1)中建立的坐标系X 轴正向前进,角度变化按逆时针方向,旋转中心为(4)中的轮胎角点(即无论如何旋转,角点坐标不变)。
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_1
图 1 控制参数
2.2Grasshopper 参数化模型建立
本模型的计算主要的受力分析将依托Sap2000[4]进行。Sap2000 自带车辆荷载功能无法在板上布置以确定最不利位置。因此,采用GH 中Millipede(千足虫)力学组件并结合Gapalagos 组件的遗传算法自动搜索车辆荷载在板应力最大时的不利布置。
在确定控制参数后,建立参数化模型时考虑在Sap2000 中荷载布置的便利性,将轮胎着地范围的板与顶板进行剖分
本模型根据施工现场大部分重车的轮距和轮压,简化为整车荷载均由后两根车轴承担,每个轮子的着地面积为0.2m×0.6m。
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_2
图 2 GH参数化模型运算图
设定控制参数后,运行Galapagos 组件搜索车辆荷载最不利布置,然后利用GH 自带的Mesh Brep 网格划分组件自动生成板的网格划分图。Mesh Brep组件中可以设置网格划分的相关参数设置,例如Aspect(宽高比)、Edge-Length(网格边长)等。
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_3
图 3 Mesh Brep 网络设置及网格划分结果
(轮胎角点坐标 x=3、y=2,行车方向30°)将轮胎着地范围和其余部分分别在Rhino 中的不同图层生成网格,如图3 所示,并导出为CAD格式的DXF 文件。
2.3Sap2000结构分析计算
(1)建立Sap2000 计算样板文件
在Sap2000 中建立空白模型,并定义荷载类型为恒载和活载,再建立荷载组合类型分别如下:
1)1.2 恒载+1.4 活载
2)1.35 恒载+0.98 活载
然后定义混凝土材料及钢筋材料,并创建面截面。
(2)导入顶板网格图
选择导入DXF文件,分别导入轮胎着地范围和其余部分的网格,并赋予面截面属性。
(3)荷载及支座形式
选中轮胎着地范围部分的并根据车辆荷载设定荷载,通常选择面均布荷载。
选择板边的所有节点,根据实际情况设定支座形式,通常连续板可按四边固定考虑。
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_4
图 4 Sap2000计算模型
(4)提交计算分析
将模型提交计算分析后,在计算结果中查看板的应力、变形及弯矩计算结果。
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_5
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_6
图 6 楼板Mises等效盈利分布图

3 地下室顶板加固案例

项目概况:怀化知名地产项目需要在顶板行驶总重约60 吨的混凝土罐车。为实现地下室管线安装的穿插施工、提高脚手架与模板的周转率,经与甲方协商后采用调整顶板配筋的形式进行加固。
3.1车道荷载统计
顶板走车路线上有如下不规则板块,板厚为250mm,混凝土等级C30。具体尺寸及车道布置如图所示。该板原设计配筋为板底钢筋Bx:14@120,By:14@160;板顶通长钢筋未12@180,局部附加钢筋16@180。
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_7
图 7 异形板原设计配筋图
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_8
图 8 顶板走车计算简图
3.2顶板复核及方案确认
(1)生成网格图形
将图8 的几何信息输入至GH 参数化模型运算图中,根据程序自动搜索的车辆最不利布置后将结果分批在Rhino 指定图层生成网格,并输出DXF 文件。
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_9
图 9 GH运算结果
(2)建立 Sap2000 分析模型
将DXF 网格文件导入至Sap2000 样板文件中,指定轮胎着地范围的荷载,并设定板边的支座约束。
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_10
图 10 应力分布情况
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_11
图 11 板顶X方向配筋
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_12
图 12 板顶Y方向配筋
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_13
图 13 板底X方向配筋
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_14
图 14 板底Y方向配筋
将计算结果与原设计方案比较,板底钢筋满足要求,支座钢筋需要增加,调整后的配筋情况如图所示。
将板的支座反力施加到顶板梁柱上对梁柱进行承载力复核,均满足要求。通常情况下,梁柱考虑抗震及对塔楼的嵌固作用,配筋富余度满足施工时顶板走车的使用需求。
基于Rhinoceros-Grasshopper的顶板加固参数化建模计算方法_15
图 15 顶板加固后配筋结果
(虚线为原设计钢筋,实线为调整后钢筋,支座钢筋为附加钢筋)
3.3实施情况
(1)按单块板进行成本测算:采用钢筋钢筋补强的方式,单块板增加钢筋费用约230元;采用碗扣架回顶,需要租金约10.6元/ 天,考虑工期约200天,则需要租赁费用约2120元;在不考虑人工成本的情况下,节约成本效果已经非常显著。
(2)从目前项目实施情况跟踪了解,未出现顶板开裂渗水等质量问题。

4 结语

(1)参数化设计已经在建筑设计领域蓬勃发展并形成规模,并且已经逐渐渗透至结构计算领域,利用参数化思维,建立顶板加固计算的参数化模型,可以适应大部分项目情况,从而提升工作效率,提高计算准确度,更好地服务项目施工。
(2)地下室顶板临时走车的行进路线应尽量与原设计消防车道一致,可以减少施工荷载的超出程度,从而减少顶板加固的人力、物力、财力投入。
(3)采用增加钢筋的加固方式,是属于改动了原设计方案,需要经过设计单位确认。

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 发表于2018-10-02   |  只看该作者      

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参数化设计已经在建筑设计领域蓬勃发展并形成规模。

蒋德华

山东 滨州 | 工程造价

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