某博物館懸廳安裝過程仿真分析

喬 琪， 李海艷

（石家莊鐵道大學 工程力學系，河北 石家莊 050043）

大型鋼結(jié)構(gòu)的施工方法目前主要有：分單元安裝法、高空散裝法、整體吊裝法、整體頂升法、整體提升法、滑移法6種施工形式［1-2］。其中高空散裝法是將構(gòu)件直接在預設位置進行拼裝的方法［3］。這種施工方法安全可靠、施工難度小，因此在大型復雜的鋼結(jié)構(gòu)建筑施工時常常被采用。構(gòu)件在高空拼接時不需要大型的起重設備，但需要臨時支架作為支撐。臨時支架是由鋼構(gòu)件拼接而成，其受力復雜，剛度、強度、穩(wěn)定性都必須滿足要求才能確保施工安全進行［4］。

鋼結(jié)構(gòu)工程的施工過程分析已成為結(jié)構(gòu)工程設計計算的一個重要組成部分，這樣既保證工程從建設到使用的整個生命期內(nèi)的安全與可靠，又能為優(yōu)化施工方案提供依據(jù)［5］。本項目博物館懸廳安裝即采用高空散裝法。采用ANSYS軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型，對博物館內(nèi)部懸廳、懸廳安裝用臨時支架以及支架下部支撐結(jié)構(gòu)的安全性進行分析，為施工過程提供指導。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該博物館總建筑面積為77 983．09 m2，其中地上建筑面積為45 917．41 m2，地下建筑面積為32 065．68 m2。建筑層數(shù)為地上主館5層、輔館3層、地下2層。規(guī)劃控制建筑高度為36．74 m。地下部分為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；主館地上為鋼框架結(jié)構(gòu)；輔館為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級均為三級。

博物館3、4層設置有2個懸空的大廳，即懸廳（如圖1下部2層），標高分別為12．22 m 和18．42 m。懸廳通過鋼吊柱與鋼桁架（圖1上部）連接。懸廳周邊主體結(jié)構(gòu)為空心的筒狀結(jié)構(gòu)（見圖2），標高32．43 m。懸廳及其施工影響區(qū)結(jié)構(gòu)全部為鋼結(jié)構(gòu)，且懸廳與主體結(jié)構(gòu)通過構(gòu)件連接增加其穩(wěn)定性，鋼桁架安裝在周邊主體結(jié)構(gòu)上，其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 懸廳及鋼桁架

圖2 影響區(qū)周邊主體結(jié)構(gòu)

圖3 整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 施工方法

為確保懸廳安裝過程的安全，確定施工順序為：首先完成周邊主體結(jié)構(gòu)的施工；懸廳下部鋼吊柱對應位置設置12個高為12．22 m 的臨時支架；在臨時結(jié)構(gòu)上完成第三層懸廳的拼裝，并安裝鋼吊柱；完成第四層懸廳的拼裝，并安裝鋼吊柱；將懸廳通過鋼吊柱與鋼桁架連接，并與周邊主體做穩(wěn)定連接；移除臨時結(jié)構(gòu)，清理現(xiàn)場。注意，安裝鋼桁架時，應采用分片整體吊裝。

2 懸廳及臨時支架仿真分析

2.1 模型簡化

本工程中鋼構(gòu)件間的連接有剛接和鉸接2種形式，而且2種連接方式在ANSYS軟件中分布不規(guī)律，按照原有的連接方式處理工作量太大［6］。對于細長的彈性材料而言，桿端的鉸接或者剛接只對桿端有影響，對遠離桿端的應力無明顯影響，所以采用剛接代替桿件間的鉸接，采用梁柱的中軸線代替梁柱實體，忽略梁柱的高度。特別注意的是，臨時支架與懸廳的連接處理。實際施工時臨時支架與懸廳之間設置有千斤頂簡支，采用4根鏈桿將支架與懸廳連接，由鉸接代替簡支。圖4給出了懸廳和臨時支架示意圖。

圖4 懸廳及臨時支架示意圖

2.2 有限元模型建立

模型是由工程CAD 三維圖形導入ANSYS建立的。在CAD 中將相同屬性的桿件放到同一圖層中，方便ANSYS中對不同的桿件賦予屬性。本模型支架與懸廳連接處的鏈桿采用link8單元，其余部分均采用beam188單元。桿件的單元長度為1 m，樓面單元大小為1 m2。懸廳采用Q235B鋼，臨時支架采用Q345B鋼。對臨時支架底部施加固定支座，約束所有自由度。有限元模型如圖5所示。

2.3 施加荷載

在結(jié)構(gòu)仿真計算中，自重按照1．2倍的系數(shù)施加到結(jié)構(gòu)上，即在ANSYS中重力加速度取12 m／s2，以此確保結(jié)構(gòu)安全。由于本工程沒有處在絕對的室外環(huán)境，風荷載可以忽略不計。通過劃分單元、施加約束、施加荷載、求解等一系列命令得到計算結(jié)果。

2.4 計算結(jié)果分析

2．4．1 變形計算結(jié)果

通過對模型加載求解，得到懸廳與臨時支架變形圖如圖6所示。

圖5 懸廳及臨時支架ANSYS模型

圖6 懸廳及臨時支架變形圖（單位：m）

由變形圖6可知，最大位移出現(xiàn)在4層懸廳的主梁上，圖6中以“MX”標注，該主梁長度為20 m，由《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》［7］得主梁的最大變形容許值為L／400，即50．00 mm，大于此梁的位移值11．55 mm，而且支架沒有發(fā)生大位移，所以懸廳與支架剛度滿足要求。

2．4．2 應力計算結(jié)果

各桿的受力狀態(tài)均為拉彎組合或壓彎組合，最大拉應力或者壓應力只可能出現(xiàn)在梁頂或者梁底，通過定義單元表將拉伸應力與彎曲應力疊加得到懸廳與支架梁頂和梁底的應力如圖7和圖8所示。

圖7 梁頂應力圖

圖8 梁底應力圖

由計算結(jié)果可知，從4個極值的絕對值中提取出最大應力為39．7 MPa，該結(jié)構(gòu)材料材質(zhì)為Q345鋼材，由鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范可知，Q345鋼材許用應力310 MPa，由此可知，結(jié)構(gòu)強度滿足設計要求。

3 懸廳周邊結(jié)構(gòu)仿真分析

3.1 模型簡化

依據(jù)圣維南原理，懸廳上的荷載對遠離懸廳梁柱的應力影響很小，可忽略。所以，只建立懸廳向外一跨的梁柱模型。桿件的連接通過設置節(jié)點實現(xiàn)。圖9給出了施工影響區(qū)示意圖。

圖9 施工影響區(qū)示意圖

3.2 有限元模型建立

模型同樣由工程CAD 三維圖形導入ANSYS建立。本模型樓面采用shell63單元，其余部分梁柱均采用beam188單元。桿件的單元長度為1 m，樓面單元大小為1 m2。對柱底部施加固定支座，約束所有自由度。有限元模型如圖10所示。

3.3 施加荷載

鋼材密度為785 kg／m3，懸廳面層要澆筑10 cm 厚混凝土層，混凝土密度為2 500 kg／m3。自重按照1．2倍的系數(shù)施加到結(jié)構(gòu)上，即在ANSYS中重力加速度取12 m／s2，以此確保結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，大廳屋面荷載取3．5 k N／m2，垂直施加到屋面。由于本臨時結(jié)構(gòu)沒有處在絕對的室外環(huán)境，風荷載忽略不計。通過劃分單元、施加約束、施加荷載、求解等一系列命令得到計算結(jié)果。

3.4 計算結(jié)果分析

3．4．1 變形計算結(jié)果

通過對模型加載求解，得到施工影響區(qū)變形圖如圖11所示。

圖10 施工影響區(qū)結(jié)構(gòu)有限元模型

圖11 施工影響區(qū)結(jié)構(gòu)變形圖（單位：m）

由圖11可得結(jié)構(gòu)的最大位移為39．43 mm，發(fā)生在長為17 m 的主梁上，其撓度為最大位移減去桁架的位移13．14 mm，即26．29 mm。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，其容許位移為L／400，即42．50 mm，因此剛度滿足要求。

3．4．2 應力計算結(jié)果

各桿的受力狀態(tài)均為拉彎組合或壓彎組合，最大拉應力或者壓應力只可能出現(xiàn)在梁頂或者梁底，通過定義單元表將拉伸應力與彎曲應力疊加得到影響區(qū)梁頂和梁底的應力如圖12和圖13所示。

圖12 影響區(qū)結(jié)構(gòu)梁頂應力圖

圖13 影響區(qū)結(jié)構(gòu)梁底應力圖

由計算結(jié)果可知，從4個極值的絕對值中提取出最大的應力為89．0 MPa，該結(jié)構(gòu)材料材質(zhì)為Q345鋼材，由鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范可知，Q345鋼許用應力為310 MPa，因此結(jié)構(gòu)強度滿足設計要求。

4 臨時支架底座梁柱驗算

由于臨時支架下部不是地基而是地下室，支架的作用點在部分梁柱上，因此需要驗算首層梁柱的剛度和強度。

4.1 有限元模型建立

首先建立地下部分的梁柱模型，確定臨時支架作用位置，所有支架作用點處需加設工字鋼，臨時支架及工字鋼作用位置如圖14、圖15所示。建模方法同第2、3節(jié)，鏈桿采用link8 單元，其余均采用beam188單元，單元長度為1 m 。除鏈桿外所有連接方式均為剛接，支座采用固定支座。同樣風荷載忽略不計，自重按照1．2倍的系數(shù)施加到結(jié)構(gòu)上。有限元模型如圖16所示。

圖14 臨時支架及工字鋼位置圖

圖15 首層梁柱及懸廳3D模型

圖16 懸廳及地下梁柱模型圖

4.2 計算結(jié)果分析

通過劃分單元、施加約束、施加荷載、求解等一系列命令得到計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果對下層梁、柱的剛度和強度進行校核。

（1）變形計算結(jié)果。地下梁柱變形圖如圖17所示。由圖17可得，某梁的位移達到93．75 mm，此梁長20 m，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，最大位移超出了其容許值50 mm（L／400）。所以此工況下不能滿足剛度要求，需對其進行臨時剛度加固處理。

（2）應力計算結(jié)果。采用與第2、3 節(jié)相同的方法，得到梁頂和梁底的應力如圖18、圖19所示。

圖17 地下梁柱變形圖

圖18 梁頂應力圖

圖19 梁底應力圖

由圖可知，其最大應力值為234 MPa，小于Q345鋼材的許用值。所以底部梁柱強度滿足要求。

5 結(jié)論

運用仿真分析軟件ANSYS對某博物館懸廳及其施工影響區(qū)結(jié)構(gòu)進行建模分析，得到以下結(jié)論：（1）對懸廳及臨時支架進行剛度和強度檢算，結(jié)果滿足設計要求。

（2）對懸廳安裝完成后，即拆除臨時支架后的周邊結(jié)構(gòu)進行剛度和強度校核，滿足設計要求。

（3）對臨時支架作用的下部梁、柱進行剛度和強度校核，發(fā)現(xiàn)強度滿足設計要求，但剛度超限，需對其進行臨時剛度加固處理。

本文的計算有效指導了施工的安全順利進行，可為類似工程施工提供一定參考。