合肥新機(jī)場(chǎng)實(shí)腹式剛架鋼結(jié)構(gòu)的施工仿真分析

楊 揚(yáng), 完海鷹, 李慶鋒, 丁大益, 王元清

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.五洲工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100053;3.清華大學(xué) 土木水利學(xué)院,北京100084)

0 引 言

大跨度門(mén)式剛架中對(duì)設(shè)計(jì)起控制作用的往往不是內(nèi)力而是變形[1],而在結(jié)構(gòu)的施工中,結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)計(jì)算的差別如下:

(1)荷載不同。施工力學(xué)分析中使用的荷載,其特點(diǎn)是數(shù)值與位移隨時(shí)間而變化;結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)取用的是設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的設(shè)計(jì)荷載。

(2)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)在發(fā)生著變化,由靜定結(jié)構(gòu)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu),由平面的傳力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g的傳力體系,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力重分配[2]。

由于以上的差距,如果在施工過(guò)程中能控制好剛架的變形,可以使整體結(jié)構(gòu)中剛架的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性能得到較好的保證。對(duì)于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的空間鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目,完整的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)同時(shí)包括完整結(jié)構(gòu)在使用荷載下的分析和結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)力學(xué)驗(yàn)算[2]。在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的分析前,本文根據(jù)施工方案和進(jìn)度對(duì)平面?zhèn)髁Y(jié)構(gòu)進(jìn)行施工分析,從而指導(dǎo)施工。

1 施工仿真方法及原理

仿真屬于一門(mén)基礎(chǔ)性學(xué)科[3-4],所謂“仿真”,就是構(gòu)造出一個(gè)“模型”(包括實(shí)際模型和虛擬模型)來(lái)模仿實(shí)際系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,這種建立在模型系統(tǒng)上的試驗(yàn)技術(shù)稱為仿真技術(shù),或模擬技術(shù)[5]。在施工仿真中有2種常用的方法:靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。按靜態(tài)法分析與實(shí)際施工情況有本質(zhì)的區(qū)別[6],在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、荷載等都是不斷變化的。按動(dòng)態(tài)法對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí),后一個(gè)施工工況分析是在前一個(gè)施工工況受力特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,即在當(dāng)前工況分析時(shí)結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量是在前施工工況基礎(chǔ)上變化的,整個(gè)施工過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。

本文對(duì)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真分析是由Etabs軟件中施工順序加載分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的,不僅對(duì)剛架拼接時(shí)的加載過(guò)程進(jìn)行了仿真分析,還對(duì)卸除支撐架時(shí)的卸撐過(guò)程進(jìn)行了分析,并找出了最優(yōu)的卸載方案,以指導(dǎo)實(shí)際施工。

2 合肥新機(jī)場(chǎng)航站樓工程概況

合肥新橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓總建筑面積為11.2×104m2,為一在建新機(jī)場(chǎng)。航站樓橫向長(zhǎng)約804m,縱向最大寬度約161 m,建筑最大高度約30m,如圖1所示。結(jié)構(gòu)分為5個(gè)區(qū)段,以3區(qū)段中軸線向兩邊呈對(duì)稱布置,從3區(qū)向兩側(cè)的1、5區(qū)結(jié)構(gòu)由最大標(biāo)高為30 m 過(guò)渡到17m,并通過(guò)屋面結(jié)構(gòu)連成整體。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中,1、5區(qū)共2層——3.9m 和7.9 m,為鋼管(鋼)柱、H型鋼梁以及剛架共同框架結(jié)構(gòu)形式。1區(qū)和5區(qū)基本對(duì)稱;2、3、4區(qū)7.9 m(3區(qū)局部13.9 m層)以下采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),上部采用鋼管桁架(部分采用箱型梁)到結(jié)構(gòu)兩側(cè)轉(zhuǎn)化為箱型構(gòu)件落地或固結(jié)于下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上;2區(qū)和4區(qū)基本對(duì)稱。

每區(qū)結(jié)構(gòu)各跨跨度及高度均不相同,且剛架梁為弧形梁,整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程由浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司施工。

結(jié)構(gòu)施工時(shí)先從1、5區(qū)開(kāi)始逐漸向2、4區(qū),最后3區(qū)對(duì)稱施工,并且每區(qū)施工時(shí)由中間向兩邊推進(jìn)施工。根據(jù)施工進(jìn)度,本文模擬的是5區(qū)剛架施工過(guò)程的變形情況。

3 工程實(shí)例及仿真分析

3.1 工程實(shí)例

1、5區(qū)結(jié)構(gòu)由鋼管柱、樓面框架梁、屋蓋剛架、屋面檁條及幕墻立面結(jié)構(gòu)5部分組成,最大高度約20 m。剛架基本柱距10.893 m,剛架最大跨度約34 m,5-11軸約32 m。本文主要模擬5區(qū)實(shí)腹式箱形梁剛架施工過(guò)程中的變形情況,根據(jù)監(jiān)測(cè)軸線剛架,本文分析了5-11軸剛架在施工過(guò)程的變形情況,5-11軸剛架如圖2所示。

圖2 5-11軸剛架示意圖

3.2 箱梁起拱仿真分析

在施工過(guò)程中作用在剛架的荷載考慮了2種:①剛架拼接過(guò)程中構(gòu)件的自重;②為保證剛架平面外穩(wěn)定安裝檁條后剛架及檁條自重。

對(duì)使用時(shí)需要控制變形的結(jié)構(gòu),除計(jì)算其強(qiáng)度和穩(wěn)定性外,還應(yīng)進(jìn)行變形的驗(yàn)算。對(duì)一些跨度較大的構(gòu)件應(yīng)預(yù)先起拱,起拱對(duì)于改善構(gòu)件的使用功能起到了很大作用[7]。

對(duì)于5區(qū)剛架按照施工規(guī)范跨中起拱值為梁跨度的1/500,大約60mm,由于拼接節(jié)點(diǎn)位于梁跨度的1/3處,在拼接節(jié)點(diǎn)處起拱30 mm。應(yīng)施工方的要求,計(jì)算剛架在自重及檁條荷載作用下的變形值,檢查起拱值是否能滿足要求。本文用Etabs模擬起拱后剛架的變形情況,并與未起拱時(shí)剛架的變形進(jìn)行了比較。

由于屋面采用金屬屋面,質(zhì)量非常輕,且厚度較薄,在屋面荷載作用下的變形較小,且屋面材料會(huì)產(chǎn)生蒙皮效應(yīng),蒙皮作用會(huì)提高門(mén)式剛架的承載力[8],對(duì)于剛架的變形起到一定的抑制作用,計(jì)算結(jié)果均能滿足要求。

用Etabs不能直接模擬起拱后剛架的位置,本文用Etabs計(jì)算出拼接節(jié)點(diǎn)起拱30mm后結(jié)構(gòu)的變形值,將結(jié)構(gòu)起拱后的變形值與原結(jié)構(gòu)坐標(biāo)疊加而得到。起拱后剛架在自重荷載作用下及檁條荷載作用下的變形值(與原坐標(biāo)相對(duì)應(yīng))為起拱時(shí)的變形與起拱后的變形值(與起拱后坐標(biāo)相對(duì)應(yīng))相疊加,如圖3所示。

圖3 剛架起拱后的結(jié)構(gòu)圖形模擬過(guò)程

起拱后剛架的變形值,見(jiàn)表1所列,剛架z軸變形如圖4所示。

表1 剛架變形情況表 mm

圖4 剛架z軸變形

從表1、圖3、圖4中可以看出,起拱明顯減小了梁x方向和z方向的變形,尤其降低了梁的撓度。由于屋面材料自重較輕,屋面安裝后剛架的變形增量會(huì)較小,且屋面板尺寸較大、厚度較薄會(huì)產(chǎn)生蒙皮效應(yīng)以抵消結(jié)構(gòu)的一部分變形,具體的研究在后續(xù)結(jié)構(gòu)施工中進(jìn)行。因此30 mm的起拱值對(duì)于結(jié)構(gòu)在以后使用階段的變形起到了一定的抵消作用,能滿足結(jié)構(gòu)使用階段的要求。

3.3 加載過(guò)程仿真分析

對(duì)于5區(qū)在施工過(guò)程中,剛架柱同下部框架結(jié)構(gòu)一起拼裝,拼接后用纜風(fēng)繩保證柱頂?shù)膫?cè)移和平面外的穩(wěn)定,然后再分2段拼接剛架箱梁,拼接過(guò)程中在梁的拼接位置設(shè)置支撐架。纜風(fēng)繩和支撐架由剛度較大的短構(gòu)件代替,具體的拼接過(guò)程由Etabs進(jìn)行模擬,如圖5所示。

圖5 剛架的拼接過(guò)程

在剛架的拼接過(guò)程中,由于有臨時(shí)支撐架阻止剛架的變形,剛架的變形非常小,最大值為箱梁左側(cè)拼接段中點(diǎn)撓度值-3.83mm。

3.4 卸撐過(guò)程仿真分析

當(dāng)5區(qū)整個(gè)結(jié)構(gòu)部分吊裝拼接好后,吊裝了部分檁條以保證剛架的平面外穩(wěn)定時(shí),即要卸除臨時(shí)構(gòu)件,如纜風(fēng)繩及支撐架。在卸除臨時(shí)構(gòu)件時(shí),為了考慮剛架的穩(wěn)定性,使剛架梁跨中的撓度能逐漸增大,模擬了不同卸載順序下剛架的變形情況,見(jiàn)表2所列,從而找出最優(yōu)的卸載方案以指導(dǎo)施工。

表2 不同卸載方案箱梁的變形情況 mm

從表2可以看出,卸撐時(shí)方案(2-3-1)較好,梁跨中及拼接節(jié)點(diǎn)處的撓度在每次卸載過(guò)程中的增量與其他方案相比最小,整個(gè)過(guò)程撓度變形較平緩,并不會(huì)突然跳躍到最大值,對(duì)剛架的穩(wěn)定性較好,被施工方采納。

臨時(shí)構(gòu)件編號(hào)如圖6所示,最優(yōu)卸撐方案如圖7所示。

圖6 臨時(shí)構(gòu)件編號(hào)

圖7 剛架最優(yōu)卸撐方案

4 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

在卸除梁的支撐架的過(guò)程中,對(duì)剛架的變形應(yīng)用全站儀進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。全站儀的型號(hào)為leica TCA 2003,測(cè)角精度(一測(cè)回方向標(biāo)準(zhǔn)偏差)為0.52″,測(cè)距精度為(1±1×10-6)mm,具有ATR 功能,性能穩(wěn)定可靠,廣泛用于精密工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)。本次全程測(cè)量了卸除支撐架時(shí)剛架的變形,見(jiàn)表3所列,計(jì)算結(jié)果為最優(yōu)卸撐方案第①步驟。

表3 剛架變形對(duì)比 mm

由表3可以看出,計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值接近,稍微偏大,可能是纜風(fēng)繩有所松動(dòng)造成的。

5 結(jié)束語(yǔ)

虛擬技術(shù)應(yīng)用于建筑施工中不但可以提高工作效率,還可以發(fā)現(xiàn)施工中存在的安全隱患,確保了安全生產(chǎn),在復(fù)雜建筑的施工中尤為重要[9]。

本文對(duì)一榀剛架進(jìn)行了詳盡的闡述,對(duì)于4區(qū)的實(shí)腹式剛架也作了相同的仿真分析,以指導(dǎo)具體的施工,并在此基礎(chǔ)上,監(jiān)測(cè)剛架卸撐過(guò)程的變形,仿真結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相一致。

通過(guò)本文的分析可以看出,結(jié)構(gòu)起拱值30mm能滿足結(jié)構(gòu)在以后的使用要求;卸撐過(guò)程中選擇較好的卸撐順序?qū)Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是有利的。

[1]王元清,李久志,石永久,等.大跨度索支承實(shí)腹式門(mén)式剛架鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,25(4):73-77.

[2]鮑廣鑒,曾 強(qiáng),陳柏全.復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[J].施工技術(shù),2005,34(10):15-17.

[3]鄭亞文.虛擬仿真技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用研究[J].施工技術(shù),2009,38(12):114-117.

[4]鞠金山,王亞峰.碳纖維天線的剛度仿真[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,33(8):1257-1259,1263.

[5]張希黔,石 毅.上海正大廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工方案虛擬仿真系統(tǒng)[J].施工技術(shù),2000,29(8):9-11.

[6]熊 彧,潘麗萍.復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程仿真分析[J].山西建筑,2009,35(18):133-134.

[7]何喬生.特殊結(jié)構(gòu)起拱參數(shù)的確定及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用[J].鋼結(jié)構(gòu),2001,16(2):48-51.

[8]丁蕓孫.門(mén)式剛架工程中一些技術(shù)問(wèn)題的探討[J].建筑結(jié)構(gòu),2001(8):50-53.

[9]張儀哲,王洪申.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑施工中的作用[J].國(guó)外建材科技,2005,26(4):56-57.