鋼桁架結(jié)構(gòu)整體提升施工過程仿真研究

摘 要：簡要介紹了施工過程中復雜鋼結(jié)構(gòu)的施工方法以及仿真分析的必要性，同時通過對復雜鋼結(jié)構(gòu)施工的力學分析來著重對復雜鋼結(jié)構(gòu)的施工方案、大跨度桁架整體提升過程中的強度、同步性和穩(wěn)定性、桁架整體提升對巨型主框架受力及變形的影響等方面進行了較為系統(tǒng)的研究；系統(tǒng)研究了施工過程控制系統(tǒng)與控制方法，將計算機仿真技術(shù)引入施工控制系統(tǒng)，完善了施工過程控制理論。

關(guān)鍵詞：復雜鋼結(jié)構(gòu)；施工過程；施工力學；整體提升；穩(wěn)定性；仿真分析；過程控

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198（2014）11-0197-02

1 引言

本文研究的背景工程上海港國際客運中心SB11鋼結(jié)構(gòu)工程為巨型鋼框架結(jié)構(gòu)，柱間帶有斜撐，主框架上懸掛有球形鋼結(jié)構(gòu)吊艙，建筑新穎獨特，結(jié)構(gòu)形式復雜多樣，給現(xiàn)場施工帶來巨大困難。在吊裝過程中需要解決以下幾個關(guān)鍵問題：（1）吊點的數(shù)量和分布；（2）吊裝過程中桁架的穩(wěn)定性；（3）吊裝過程中各吊點的同步性。

此結(jié)構(gòu)的總體施工過程有多個階段，分別是吊艙結(jié)構(gòu)安裝、巨型框架和吊艙結(jié)構(gòu)連接固定以及巨型框架安裝階段。本文運用計算機仿真技術(shù)基于三維有限單元法建立結(jié)構(gòu)仿真分析模型對屋面大跨度鋼桁架整體提升過程中的強度、同步性和穩(wěn)定性進行分析。

2 工程簡介

上海港國際客運中心工程場地處于東大名路610號，位于虹口區(qū)高陽港區(qū)內(nèi)，南為黃浦路，北臨東大名路，西臨溧陽路，東臨高陽路，規(guī)劃占地面積是13.6萬平米。有一棟SB11溫室座落于B3辦公樓以及南面B2辦公樓當中。SB11溫室鋼結(jié)構(gòu)建筑總高（不包括屋頂上方的突出部分）42.2米，樓梯以及電梯分別位于SB11的東西兩側(cè)，觀光電梯設(shè)在中間的斜樓梯處。溫室的餐廳和廚房分別位于層頂和頂層，溫室的會議室、咖啡吧以及茶室等功能都被設(shè)置在下面三個吊艙。屋面大跨度桁架結(jié)構(gòu)，三個鋼框架核芯筒和三個吊艙結(jié)構(gòu)形成了整個結(jié)構(gòu)。該建筑總占地面積為5700平方米，鋼結(jié)構(gòu)的總噸位為2500噸。建筑物南北方向跨度是30.4米，東西方向跨度為48.4米，建筑總高度53.6米。三個不規(guī)則的球形吊艙懸掛在寫字臺式的巨型鋼框架結(jié)構(gòu)下，其結(jié)構(gòu)形式非常新穎且奇特。屋面桁架腹部下通過高強懸索懸掛著三個吊艙結(jié)構(gòu)，并利用鋼框架和人行天橋連接。鋼結(jié)構(gòu)溫室SB11包含結(jié)構(gòu)形式新穎獨特的柔性懸掛結(jié)構(gòu)、傾斜鋼框架結(jié)構(gòu)、巨型鋼框架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式，建成后將成為又一個漂亮的黃浦江景觀。

3 施工方案

由于現(xiàn)場施工條件受到較多限制，場地狹小，屋面桁架由于地下室頂板無法承受重型施工機械，且高空散裝法費工費時，施工措施費以及人工費都提高了工程造價，所以只有通過整體來完善施工的工藝。通過就地組裝大跨度桁架，單榀整體提升的措施來安裝主桁架，從而達到設(shè)計規(guī)范預起拱的要求。即采用計算機控制液壓來同時提高技術(shù)，單榀整體提升主桁架。提升順序為（按桁架所在軸線編號）：G→E→C→A→D，提升高度約為35.55米，結(jié)構(gòu)平面如圖1所示，提升裝置如圖2所示。

鋼桁架安裝采用整體提升方法進行，運輸和吊裝機械性能決定了其安裝分段，桁架主要分為上弦3至5段，下弦3至5段以及上下弦中若干斜腹桿。其中最長的桿件是12m，重為13噸。主桁架單榀重量從南至北依次是79噸、73噸、80噸、30噸、28噸、85噸。由于通過整體提升策略安裝桁架，因此必須在現(xiàn)場將鋼結(jié)構(gòu)散件組拼成整體。我們根據(jù)觀察現(xiàn)場情況，采取先原位拼裝，然后整體提升的措施。立拼法在整個桁架的應用，有著避免桁架整體起扳引起的結(jié)構(gòu)扭曲變形的優(yōu)點，這一優(yōu)勢可以促使結(jié)構(gòu)的整體變形得到控制。

4 施工過程仿真分析方法的選擇

施工過程是一個隨著時間的推移，結(jié)構(gòu)的邊界、荷載、剛度條件等一直變化的過程，即施工過程中的結(jié)構(gòu)體系是一個時變體系。我國著名學者哈爾濱工業(yè)大學教授王光遠院士以前建議把時變結(jié)構(gòu)力學分為三個大得研究領(lǐng)域：超慢速、慢速和快速時變結(jié)構(gòu)力學，其中施工力學研究問題最適合應用慢速時變結(jié)構(gòu)力學，可通過利用離散性時間凍結(jié)的近似處理，把它作為一序列時不變結(jié)構(gòu)對象來進行動力或靜力分析。施工過程仿真是施工力學研究問題的一個分類。施工力學問題現(xiàn)在主要有時變單元法、有限單元法以及拓撲變化法等分析方法。時變單元法是隨著單元大小的變動達到求解卻與的變動，雖然然離散網(wǎng)格保持不變，但又數(shù)值積分穩(wěn)定性的問題。拓撲變化法通過應用拓撲原理以及數(shù)值手段達到求解區(qū)域根據(jù)時間的變化，但不要要求時變次數(shù)過多，否則會導致計算效率較低。而且這兩種辦法必須要重新編程。一般單元法不需要重新編程，是一種方便快捷，通過單元的增減來實現(xiàn)求解區(qū)域的變動，且結(jié)果符合相應的工程需要。所以本文的仿真分析采用一般有限單元法。

5 計算假定與仿真分析模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件特點，建模分析應用大型有限元軟件MIDAS，桿件運用Bernoulli-Euler梁單元進行建模，單位應用SI國際單位制（N，m）。鋼材根據(jù)設(shè)計資料采用Q345B，泊松比是0.3，密度為7850kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，模型中的單軸屈服強度根據(jù)現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取值，同時應用Mises屈服準則的理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。提升階段的荷載分為風荷載、構(gòu)件自重以及施工荷載。因為現(xiàn)場提升是一個承受動荷載的過程，所以動力系數(shù)取1.4。根據(jù)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，并結(jié)合現(xiàn)場條件和工程經(jīng)驗，重力加速度為9.8m/s2，施工荷載沿桁架長取1960N/m，迎風面桿件上的風荷載可以采用結(jié)構(gòu)頂部標高計算風壓高度變化系數(shù)以及風振系數(shù)，從而得到為724N/m。仿真分析模型中，地下室頂板與主體鋼框架根據(jù)固結(jié)考慮。除了臨時拉桿端點外，其他節(jié)點都根據(jù)剛節(jié)點來考慮。

計算過程時，表示結(jié)構(gòu)未安裝部分的單元剛度矩陣乘以10-7的系數(shù)以模擬將這部分單元未安裝的狀態(tài)，待其就位后再采用根據(jù)材料屬性和截面幾何尺寸定義的真實值以模擬安裝了這部分單元。

6 整體提升過程中桁架同步性分析

為了防止由于提升吊點行程不同步，復雜鋼結(jié)構(gòu)在提升過程中的桁架強度和穩(wěn)定性受到影響，一定要同步性分析提升吊點。各提升點位移差在提升施工過程中的出現(xiàn)，將會改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，所以要對不同的吊點位移差工況下變形情況以及結(jié)構(gòu)的受力進行計算，得出相應的控制限值，來保證提升階段桁架的可靠性和施工的安全性。

在過去的15年中，大跨度復雜鋼結(jié)構(gòu)的材料消費占總造價的比例由41%降至26%，而其安裝的費用所占的比例則已由19%上升到27%。如果可以采用一定的方法確定結(jié)構(gòu)在整體提升施工過過程中的各提升吊點的不同步性位移差限值，那么對于受不同步性影響較小的結(jié)構(gòu)，施工單位可以適當放寬施工控制要求，從而能夠在加快施工進度的同時避免由于過度考慮不同步的影響而帶來的時間和金錢的浪費。而對于受不同步影響較大的結(jié)構(gòu)則應采取較為高級的同步性控制方法以確保工程結(jié)構(gòu)施工的安全。因此，有必要對工程結(jié)構(gòu)在不同提升吊點位移差下的結(jié)構(gòu)力學性能進行研究，找出合理吊點位移差限值，在保證安全的前提下，減少不必要的施工措施費，縮短工期，合理的降低工程造價。

7 結(jié)論

本文論述了大型復雜鋼結(jié)構(gòu)整體提升施工中，影響穩(wěn)定性的因素，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析力學理論，對鋼桁架的整體提升進行了特征值屈曲的分析，從而提供了可靠的參數(shù)依據(jù)，保證了結(jié)構(gòu)施工過程中的安全性；說明了對結(jié)構(gòu)整體提升的施工過程進行同步性分析的意義，提出了基于力學參數(shù)控制的同步性分析方法。具體做了以下幾個方面的工作：

（1）大型復雜鋼結(jié)構(gòu)屋面桁架長度較大，屬于大跨度結(jié)構(gòu)，由于長細較大，會導致整體提升階段中發(fā)生平面外屈曲失穩(wěn)，本文通過施工過程仿真技術(shù)的應用，對桁架提升過程進行了特征值屈曲分析，提供了定量的參數(shù)依據(jù)，保障了現(xiàn)場施工的穩(wěn)定性控制。

（2）在提升過程中，兩個吊點的提升與鋼桁架的受力狀態(tài)不同步相關(guān)，從結(jié)構(gòu)受力方面看，根據(jù)現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)并提出了提升吊點同步性計算的迭代算法，通過仿真計算分析吊點不同位移差下的結(jié)構(gòu)受力，吊點不同步性位移差的限值采用構(gòu)件最大應力接近施工控制應力時的位移差，從而保證復雜鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性，而且，施工控制參數(shù)采用吊點位移差不僅節(jié)約成本，不用借用高設(shè)備緊密儀器設(shè)備，還利于施工人員的現(xiàn)場操作。

（3）在結(jié)構(gòu)整體提升階段中，應實時監(jiān)測各提升點行程差，保證相對位移差警戒限值大于吊點相對位移差。

參考文獻

[1]蔣順武.巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工全過程模擬分析[D].湖南大學，2013.

[2]顧祥林，孫飛飛.混凝土結(jié)構(gòu)的計算機仿真[M].上海：同濟大學出版社，2012.

[3]王凱.虛擬現(xiàn)實及仿真技術(shù)在巖土實驗室中的應用[D].河南工業(yè)大學，2013.

[4]張宏勝.虛擬建造在鋼結(jié)構(gòu)工程施工中的研究與應用[D].重慶大學，2014.

[5]施炳華.計算機在建筑施工中的應用[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2013.

[6]張利，張希黔.虛擬建造技術(shù)及其應用展望[J].施工技術(shù)，2013，（5）：334-336.