青島室內(nèi)水樂園鋼結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析

李春寶，趙致俊，潘友純，劉曉輝

(1.中國石油大學(xué)(華東)山東石大科技集團(tuán)，山東 東營 257061；2.萊西市建筑總公司，山東 青島 266600)

青島室內(nèi)水樂園鋼結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析

李春寶1，趙致俊2，潘友純2，劉曉輝1

(1.中國石油大學(xué)(華東)山東石大科技集團(tuán)，山東 東營 257061；2.萊西市建筑總公司，山東 青島 266600)

施工過程中的施工順序和時(shí)間效應(yīng)都會直接影響施工安裝階段及使用階段結(jié)構(gòu)的受力性能，傳統(tǒng)的一次性加載的數(shù)值模擬難以滿足當(dāng)前大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的需要，而且大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工周期較長，施工期間如果現(xiàn)場溫度變化比較大，鋼結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的變形。因此必須通過對施工過程的模擬以保證施工階段結(jié)構(gòu)的安全性及竣工時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移滿足實(shí)際需要。本文通過對某室內(nèi)水樂園進(jìn)行施工全過程模擬，確保了施工方案的安全性、可行性及科學(xué)性。通過模擬分析表明施工順序?qū)?gòu)件的變形及內(nèi)力有很大影響，因此大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工前必須進(jìn)行施工階段數(shù)值模擬，并且給出了相關(guān)的施工建議。

施工模擬；大跨度；內(nèi)力分析；施工檢測

0 引言

在鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，隨著構(gòu)件的增多，對于原始結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形產(chǎn)生很大的影響，極有可能造成安裝過程中的部分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或構(gòu)件強(qiáng)度破壞而發(fā)生倒塌事故[1-5]。此時(shí)說明安裝過程中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與投入正常使用時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)是不完全吻合的。因此，在設(shè)計(jì)過程中只按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法考慮整體結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行一次性加載是完全不符合要求的[6-10]。即使結(jié)構(gòu)安裝成型，最終的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形也與設(shè)計(jì)值相差很大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)偏于不安全[11-17]。而且大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工周期較長，施工期間如果現(xiàn)場溫度變化比較大，鋼結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的變形。因此大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)必須考慮施工現(xiàn)場情況進(jìn)行施工全過程數(shù)值模擬，本文以某水樂園為例進(jìn)行施工全過程模擬，以此給出一些關(guān)于大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工的建議和意見。

1 工程概況

水樂園總用鋼量約1 825 t。水樂園外圍豎向結(jié)構(gòu)為混凝土框架，鋼屋蓋長203 m，寬83.3 m，頂標(biāo)高30.0 m。屋蓋為大跨度管桁架體系，主受力體系由11榀主桁架和24榀邊桁架組成。主桁架之間通過H型主檁條和圓管水平支撐連接。主桁架為魚腹式倒三角管桁架，截面最大寬度4.2 m，最大高度5.5 m(管中心距離)，最大管徑?640 mm×32 mm，單榀重量約120 t；邊桁架為倒三角管桁架，最大寬度2.5 m，最大高度2.5 m(管中心距離)，單榀重量約3.3 t。水樂園整體結(jié)構(gòu)形式為大跨度管桁架結(jié)構(gòu)，主桁架均為魚腹式倒三角桁架，下弦存在大量彎曲管件，構(gòu)件很多。

2 鋼結(jié)構(gòu)施工方案

2.1 施工方案對比分析

(1)整體提升施工方法：預(yù)先在地面拼裝主次桁架，利用多臺液壓千斤頂在柱端頂升桁架至標(biāo)準(zhǔn)位置。優(yōu)點(diǎn)：不使用大型機(jī)械設(shè)備，工期短；缺點(diǎn)：技術(shù)難度較大，精度不易控制，容易發(fā)生構(gòu)件變形，結(jié)構(gòu)臨時(shí)加固措施較多；且提升同步控制技術(shù)要求高，需專業(yè)公司完成；受桁架下方的房中房施工需滯后，增加其他工序施工難度；每榀主桁架均設(shè)置提升點(diǎn)措施，措施量大，費(fèi)用較高；安全系數(shù)較低。

(2)主桁架滑移施工方法：在柱頂設(shè)計(jì)兩條主桁架滑移軌道，在固定位置搭設(shè)少量腳手架后將其滑移至指定位置。優(yōu)點(diǎn)：不使用大型設(shè)備，對場地要求不高，且不影響桁架下方房中房等其他施工環(huán)節(jié)的開展。缺點(diǎn)：技術(shù)難度較大，前期準(zhǔn)備時(shí)間長，須特制滑移支承體系，而且滑移同步控制技術(shù)要求高，需要專門的滑移糾偏措施，臨時(shí)措施量較大，工期相對較長。

(3)分段吊裝施工方法：在地面搭設(shè)胎架，利用小型機(jī)械設(shè)備對其進(jìn)行地面拼裝，形成片式后利用大型設(shè)備將其吊裝就位。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)難度相對較低，可操作性強(qiáng)，可流水安裝，陸續(xù)移交工作面，對其他工序的影響較小，有利于工期保障。通過合理的分段及高效的胎架周轉(zhuǎn)部署，可大大降低費(fèi)用；安全系數(shù)高。缺點(diǎn)：空焊接較多，人員投入多。

綜合上述分析，本工程宜采用常規(guī)的分段吊裝方法，其具有可操作性強(qiáng)，安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，對于高空焊接質(zhì)量也可以通過針對性的措施加以控制，確保工程質(zhì)量。

2.2 安裝順序

水樂園總體安裝順序：自東向西依次安裝，先安裝主桁架，再安裝邊桁架及次梁(如圖1所示)。

圖1 安裝順序示意圖Fig.1 Schematics of installation sequence

2.3 水樂園安裝流程

第一步：胎架搭設(shè)；第二步：吊裝端頭兩段分段主桁架；第三步：吊裝中間一段分段主桁架，第一榀主桁架吊裝完成；第四步：同理施工第二、第三榀主桁架，并安裝聯(lián)系桿件；第五步：拆除前三榀主桁架下部支撐胎架，吊裝第四、五和六榀主桁架，并安裝第五榀與第六榀及第六榀與第七榀之間主桁架橫向聯(lián)系桿件；第六步：拆除第四、五和六榀主桁架下部支撐胎架，吊裝第七、八和九榀主桁架。并安裝第七榀與第八榀及第八榀與第九榀主桁架之間橫向聯(lián)系桿件；第七步：拆除第七、八和九榀主桁架下部支撐胎架，吊裝第十和十一榀主桁架。并安裝第十榀與第十一榀及第十一榀與主結(jié)構(gòu)之間橫向聯(lián)系桿件；第八步：安裝剩余橫向聯(lián)系桿件，鋼結(jié)構(gòu)安裝完成。

3 施工模擬結(jié)果及分析

本工程桁架安裝過程受力情況與最終設(shè)計(jì)狀態(tài)受力狀態(tài)有所不同，為指導(dǎo)施工方案的實(shí)施，需要對施工工程進(jìn)行模擬分析。在施工階段僅考慮結(jié)構(gòu)自重荷載和施工荷載，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2，施工荷載分項(xiàng)系數(shù)取為1.4；材料采用Q345鋼，施工過程分析采用MIDAS Information Technology Co.，Ltd公司的通用有限元分析軟件Midas/Gen Ver.2013進(jìn)行模擬分析，施工過程中的恒載為自重及鑄鋼節(jié)點(diǎn)荷載，活荷載根據(jù)施工的具體情況取值，采用梁單元建模。

第1步：搭設(shè)支撐胎架，安裝最東側(cè)1榀桁架的前三個(gè)安裝單元。

此階段應(yīng)力最大值為64.0MPa，Z向位移最大值為6.7 mm(如圖2和圖3所示)。

第2步：搭設(shè)支撐胎架，由東向西依次安裝后續(xù)2榀桁架結(jié)構(gòu)。

圖2 應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram

圖3 位移云圖Fig.3 Displacement nephogram

圖4 應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram

圖5 位移云圖Fig.5 Displacement nephogram

此階段應(yīng)力最大值為83.2MPa，Z向位移最大值為10.6 mm(如圖4和圖5所示)。

第3步：對已安裝胎架進(jìn)行同步卸載。

圖6 應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram

圖7 位移云圖Fig.7 Displacement nephogram

此階段應(yīng)力最大值為74.0MPa，Z向位移最大值為81.2 mm(如圖6和圖7所示)。

第4步：搭設(shè)下一區(qū)域胎架，安裝本區(qū)域結(jié)構(gòu)。

此階段應(yīng)力最大值為87.9MPa，Z向位移最大值為81.2 mm(如圖8和圖9所示)。

圖8 應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram

圖9 位移云圖Fig.9 Displacement nephogram

第5步：對本區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行同步卸載并安裝兩個(gè)卸載區(qū)域間的次結(jié)構(gòu)(后裝帶)。

圖10 應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephogram

圖11 位移云圖Fig.11 Displacement nephogram

此階段應(yīng)力最大值為78.5MPa，Z向位移最大值為93.2 mm(如圖10和圖11所示)。

第6步：搭設(shè)下一區(qū)域胎架，并安裝此部分鋼結(jié)構(gòu)。之后對本區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行同步卸載；最后對安裝兩個(gè)卸載區(qū)域之間的次結(jié)構(gòu)(后裝帶)及最后區(qū)域部分鋼結(jié)構(gòu)并補(bǔ)裝剩余次結(jié)構(gòu)。

此階段應(yīng)力最大值為92.1MPa，Z向位移最大值為95.0 mm(如圖12和圖13所示)。

圖12 應(yīng)力云圖Fig.12 Stress nephogram

圖13 位移云圖Fig.13 Displacement nephogram

綜合以上施工模擬分析過程，可知各施工階段的應(yīng)力均小于310MPa，并且變形量均小于120 mm，在允許范圍內(nèi)。并且胎架的承載力滿足要求。結(jié)構(gòu)的承載能力是安全的，故方案可行。

4 結(jié)論

通過對該水樂園項(xiàng)目施工過程的模擬及結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

(1)施工過程對結(jié)構(gòu)影響顯著，采用合理的施工方法尤為重要。結(jié)果證明采用常規(guī)的分段吊裝方法，其具有可操作性強(qiáng)，安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。

(2)通過對安裝全過程模擬分析，得到實(shí)際施工時(shí)不同工序下的關(guān)鍵部位內(nèi)力和變形，為實(shí)際施工安裝提供重要參考。

(3)應(yīng)建立全面的施工監(jiān)測體系，對安裝過程的變形與應(yīng)力應(yīng)變和胎架釋放位移與應(yīng)力應(yīng)變、氣象等進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)變形動態(tài)，確保結(jié)構(gòu)安裝精度和施工安全。

(4)安裝過程中整個(gè)結(jié)構(gòu)是符合規(guī)范且安全可靠的，不會出現(xiàn)因幾何變形過大而導(dǎo)致無法完成正常施工的情況，更不會出現(xiàn)由于施工過程中部分結(jié)構(gòu)由于失穩(wěn)或是強(qiáng)度破壞而發(fā)生倒塌的事故。

(5)由于下弦存在大量彎曲管件，所以為避免缺陷應(yīng)重視工廠的加工制作環(huán)節(jié)，同時(shí)對于大型構(gòu)件還應(yīng)注意構(gòu)件在運(yùn)輸過程中的變形。

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Simulation Analysis on Steel Structure Construction Process of an Indoor Water Park in Qingdao

Li Chunbao1，Zhao Zhijun2，Pan Youchun2，Liu Xiaohui1

(1.Shandong Shtar Science & Technology Group in China，University of Petroleum (EastChina)，Dongying， Shandong 257061；2.General Construction Company of Laixi，Qingdao 266600，Shandong Province)

The construction sequence and time effect of the construction process will directly affect the mechanical properties of structure in the stage of construction and application.The traditional one-time loading of numerical simulation is difficult to meet the current needs of large-span space steel structure.Because of longer construction period for long-span space steel structure and the relatively large temperature changes at construction site，steel structure was supposed to have a certain deformation.Therefore，the construction process is necessarily simulated to ensure the structure safety in the phase of construction as well as the internal forces and displacement to meet the actual needs in the phase of completion.In this paper，through the simulation of whole construction process of an indoor water park to ensure the safety，feasibility and scientificity of construction scheme.The simulation results showed that the construction sequence had great influence on the deformation and internal force of the structure.Therefore，it is necessary to carry out the numerical simulation fore large span complex steel structure before the construction to provide the relevant suggestions for construction.

construction simulation；long span；internal force analysis；construction detection

2016-09-14

國家自然科學(xué)基金(E080507)

李春寶，博士，高級實(shí)驗(yàn)師。研究方向：結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、綠色建筑。E-mail：752251949@qq.com

李春寶，趙致俊，潘友純，等.青島室內(nèi)水樂園鋼結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析[J].森林工程，2017，33(2)：92-96.

TU 398.9

A

1001-005X(2017)02-0092-05