太原水上運(yùn)動(dòng)中心終點(diǎn)塔鋼結(jié)構(gòu)施工過程受力性能分析*

孟宣瑛，李立軍

(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)施工過程是結(jié)構(gòu)體系和受力狀態(tài)不斷發(fā)生變化的過程，在此過程中，結(jié)構(gòu)體系由非完整到完整，臨時(shí)支撐從搭建到拆除，各階段研究對(duì)象的剛度、邊界條件、荷載情況、外界施工環(huán)境等均會(huì)隨之改變。上一個(gè)施工步中結(jié)構(gòu)體系受力狀態(tài)必然會(huì)對(duì)下一個(gè)施工步中結(jié)構(gòu)體系造成不可忽略的影響，工程竣工后，結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載下的最終內(nèi)力和變形是各施工階段內(nèi)力變形的疊加累積。其中涉及結(jié)構(gòu)狀態(tài)的幾何非線性、材料非線性及邊界條件非線性等問題，研究結(jié)構(gòu)的這種幾何形狀、物理特性、邊界狀態(tài)等內(nèi)部參數(shù)隨時(shí)間變化的力學(xué)稱為時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)。時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)又可分為快速時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)、慢速時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)和超慢速時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)，施工力學(xué)則屬于慢速時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)。施工力學(xué)分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是時(shí)變數(shù)學(xué)，幾何參數(shù)、物理參數(shù)、邊界參數(shù)均為時(shí)間函數(shù)，因此，控制方程為變系數(shù)微分方程或時(shí)變邊值條件。使用的數(shù)值方法主要包括有限單元法、時(shí)變單元法、拓?fù)渥兓ǖ?。而單元生死技術(shù)和分步建模技術(shù)正是目前施工過程力學(xué)分析研究和應(yīng)用較為廣泛的方法，本文主要采用單元生死技術(shù)進(jìn)行分析。

1 工程概況

太原水上運(yùn)動(dòng)中心終點(diǎn)塔地上主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，建筑高度21.8m，鋼結(jié)構(gòu)類型為懸掛結(jié)構(gòu)，屋面頂部采用鋼結(jié)構(gòu)桁架?；炷羷判弯撝鶠楹附酉湫沃踔鶠閳A管鋼柱，鋼梁均采用H型鋼和箱形截面，最大板厚為40mm，使用鋼材材質(zhì)均為Q345B。鋼構(gòu)件截面類型如表1所示。

表1 鋼構(gòu)件截面類型

臨時(shí)支撐立柱選用φ600×15直縫焊管，橫撐及斜撐選用H300×150×6.5×9。為簡(jiǎn)化分析模型，本文假設(shè)鋼框架節(jié)點(diǎn)均為剛性節(jié)點(diǎn)，臨時(shí)支撐材質(zhì)與鋼框架相同。模擬過程中考慮的荷載主要為重力荷載，同時(shí)考慮施工階段安全性，對(duì)重力荷載采取一定的放大系數(shù)，取值為1.35?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40，彈性模量為32 500MPa，泊松比為0.2，密度為2 400kg/m3； Q345鋼材彈性模量為206 000MPa，泊松比為0.3，密度為7 850kg/m3。

2 有限元分析

2.1 模型建立

有限元分析模型的建立是在Revit和ANSYS中協(xié)同完成的。采用中間文件方式，將Revit中建立的混凝土核心筒模型導(dǎo)出為標(biāo)準(zhǔn) ACIS格式文件(.sat)。 而導(dǎo)出的實(shí)體文件并不能直接用于有限元分析，需進(jìn)行一定的處理和簡(jiǎn)化，故先將ACIS文件導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行模型(DM模型)修復(fù)。Workbench提供了多種模型簡(jiǎn)化修復(fù)方法，排除對(duì)結(jié)構(gòu)分析幾乎無影響的微小幾何體等，便捷的人機(jī)交互界面使模型修復(fù)工作大大簡(jiǎn)化。在確認(rèn)模型準(zhǔn)確無誤后，將DM模型通過IGES文件(.igs)導(dǎo)入APDL中，然后在APDL中完成鋼框架模型建立。最終的有限元分析模型如圖1所示。

圖1 終點(diǎn)塔有限元分析模型

2.2 網(wǎng)格劃分與接觸設(shè)置

劃分網(wǎng)格時(shí)，核心筒混凝土部分采用solid65單元，型鋼柱采用solid186單元；鋼框架部分鋼梁和鋼吊柱均為beam188單元；臨時(shí)支撐柱為pipe288單元，臨時(shí)支撐斜桿采用beam188單元。整個(gè)模型中涉及實(shí)體單元和線體單元，因此，要使劃分好的實(shí)體網(wǎng)格和線體網(wǎng)格能共同作用，需在鋼框架與混凝土核心筒接觸部位建立接觸單元，本文采用MPC算法作為接觸算法。

2.3 施工過程模擬

終點(diǎn)塔鋼結(jié)構(gòu)安裝總體順序?yàn)椋何菝骅旒墁F(xiàn)場(chǎng)拼裝→桁架臨時(shí)支撐安裝→屋面桁架整體抬吊→核心筒兩側(cè)首層平臺(tái)梁和吊柱安裝→臨時(shí)支撐卸載→其余首層平臺(tái)梁及吊柱安裝→2～4層平臺(tái)梁安裝。施工步如下：①第1步 支設(shè)臨時(shí)支撐柱，即將除混凝土核心筒和臨時(shí)支撐柱之外的其他構(gòu)件單元全部殺死；②第2步 吊裝并安裝屋面桁架，即激活屋面桁架相關(guān)單元；③第3步 安裝混凝土核心筒南北兩側(cè)1層平臺(tái)梁和相連接的6根吊柱，即激活該位置1層平臺(tái)梁和吊柱相關(guān)單元；④第4步 逐級(jí)緩慢拆卸臨時(shí)支撐柱，即殺死臨時(shí)支撐柱相關(guān)單元，預(yù)計(jì)此時(shí)桁架下弦核心筒處混凝土已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度；⑤第5步 繼續(xù)安裝混凝土西側(cè)(分析模型東側(cè))1層平臺(tái)梁和相連接的4根吊柱，即激活相應(yīng)的平臺(tái)梁和吊柱單元；⑥第6步 完成混凝土核心筒東側(cè)平臺(tái)梁和相連接的4根吊柱的安裝，即激活相應(yīng)位置1層平臺(tái)梁和吊柱單元，此時(shí)1層平臺(tái)梁和吊柱全部安裝完畢；⑦第7步 安裝2層平臺(tái)梁，激活2層平臺(tái)梁相關(guān)單元；⑧第8步 安裝3層平臺(tái)梁，激活3層平臺(tái)梁相關(guān)單元；⑨第9步 安裝4層平臺(tái)梁，激活4層平臺(tái)梁相關(guān)單元，全部鋼框架安裝完畢。

使用單元生死技術(shù)模擬9個(gè)施工步，得出合位移云圖和鋼框架軸向應(yīng)力云圖，根據(jù)應(yīng)力云圖得出鋼框架各施工步分析結(jié)果最大值，如表2所示。

由表2可知，第5～6施工步，隨著施工步的增加，各項(xiàng)分析結(jié)果反而呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，可能是由于第6步施工時(shí)所安裝的平臺(tái)梁和吊柱對(duì)屋面桁架起到了拉結(jié)作用，從而減小屋面桁架位移和內(nèi)力值。根據(jù)單元生死技術(shù)得出的最終桁架合位移最大值為25.168mm，小于設(shè)計(jì)容許撓度值40mm；Q345B鋼材設(shè)計(jì)許用應(yīng)力為210MPa，而計(jì)算得出最大軸向應(yīng)力為47.505MPa，滿足要求。一次性加載得出的最大位移為15.311mm，最大軸向應(yīng)力為29.667 MPa，均小于單元生死技術(shù)得出的結(jié)果，而且差距較大，未考慮施工過程中的效應(yīng)疊加。由此說明一次性加載計(jì)算方法在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)會(huì)存在非常大風(fēng)險(xiǎn)，不適合鋼結(jié)構(gòu)施工階段的力學(xué)驗(yàn)算。

表2 鋼框架各施工步分析結(jié)果最大值

實(shí)際施工時(shí)，為能更好地獲得鋼框架變形情況，在其上可能的位移超限點(diǎn)處設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于條件限制，只給出鋼框架施工過程6個(gè)階段中位移變化最大點(diǎn)處監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與ANSYS單元生死技術(shù)模擬數(shù)據(jù)如表3所示。實(shí)際工程中，還利用3D3S軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行模擬，模擬數(shù)據(jù)如表3所示。3組數(shù)據(jù)變化曲線如圖2所示。

圖2 位移模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化

表3 位移模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比 mm

由圖2及表3可知，模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有基本相同的發(fā)展趨勢(shì)，而且隨著施工過程的推進(jìn)，三者數(shù)據(jù)差距逐漸拉大，符合施工過程中荷載疊加累積效應(yīng)規(guī)律?？烧J(rèn)為ANSYS生死單元技術(shù)模擬結(jié)果可靠，可將其作為實(shí)際施工參考，指導(dǎo)施工。但ANSYS模擬數(shù)據(jù)及3D3S模擬數(shù)據(jù)均略小于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，原因如下：①采用ANSYS，3D3S分析時(shí)，均采用簡(jiǎn)化的混凝土核心筒和鋼框架模型，未考慮實(shí)際核心筒內(nèi)混凝土可能發(fā)生較大收縮徐變及鋼框架中鉸鉸連接處可能產(chǎn)生的變形；②未考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在生產(chǎn)和安裝過程中不可避免的構(gòu)件尺寸偏差等；③模擬中對(duì)混凝土核心筒底部采用完全剛性約束，未考慮基底沉降影響；④未考慮實(shí)際施工時(shí)外部環(huán)境的荷載效應(yīng)，如溫度、風(fēng)荷載等。

此外，ANSYS模擬位移小于3D3S模擬位移，因ANSYS模擬時(shí)只考慮重力荷載，而3D3S模擬時(shí)考慮荷載組合效應(yīng)，即重力荷載(分項(xiàng)系數(shù)1.35，組合系數(shù)1.0)與施工荷載(取1.5kN/m2，分項(xiàng)系數(shù)1.4，組合系數(shù)0.7)的組合。

2.4 方案優(yōu)選

屋面桁架安裝完成后，需拆卸搭建的臨時(shí)支撐架。卸載過程中，涉及結(jié)構(gòu)體系荷載情況、整體剛度及邊界條件等的變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生重分布。拆卸支撐后，屋面桁架由簡(jiǎn)支狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼姨魻顟B(tài)，懸挑端可達(dá)16m，懸挑部分桁架桿件產(chǎn)生拉壓桿轉(zhuǎn)換，控制這部分桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化是保證整體結(jié)構(gòu)體系安全的關(guān)鍵。因此，須模擬臨時(shí)支撐柱拆卸，確定合理的施工方案。

方案1為在2.3節(jié)所述施工順序第4步拆除臨時(shí)支撐柱。方案2為在屋面桁架安裝完成后，首層平臺(tái)梁安裝前拆除臨時(shí)支撐柱，接著按2.3節(jié)所述施工順序繼續(xù)施工，即在第3步拆除臨時(shí)支撐柱。為更直觀地顯示臨時(shí)支撐拆除時(shí)屋面桁架位移和內(nèi)力變化，在屋面桁架上分別選取6個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)和12個(gè)內(nèi)力觀測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)布置

卸載臨時(shí)支撐后觀測(cè)點(diǎn)處位移和內(nèi)力變化分別如表4，5所示。

表4 方案1，2拆撐過程位移對(duì)比 mm

表5 方案1，2拆撐過程軸向應(yīng)力對(duì)比 MPa

3 結(jié)語

臨時(shí)支撐不同拆卸方案不僅會(huì)影響施工階段模型變形和內(nèi)力，還會(huì)對(duì)最終整體結(jié)構(gòu)模型受力和變形狀態(tài)產(chǎn)生一定影響。使用涉及接觸單元的生死單元技術(shù)提前對(duì)可行的施工方案進(jìn)行模擬，結(jié)果符合實(shí)際結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)變化，可作為施工和方案優(yōu)選的參照，從而避免施工過程中的安全事故。

由表4，5可知，方案1，2拆除臨時(shí)支撐時(shí)桁架觀測(cè)點(diǎn)處的位移和內(nèi)力變化值相比差距不大，豎向位移最大變化值為15.724mm，軸向應(yīng)力最大變化值為28.525MPa，均在許可范圍之內(nèi)。而總體上，方案2臨時(shí)支撐拆卸后，觀測(cè)點(diǎn)處位移突變值普遍大于方案1；方案2與方案1觀測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力突變值相差無幾。方案1，2計(jì)算結(jié)果最大值對(duì)比如圖4，5所示。由圖4，5可知，方案1桁架各步分析的最大合位移和最大軸向應(yīng)力值較方案2均更小，因此，綜合來說方案1更優(yōu)。故在第4個(gè)施工步卸載臨時(shí)支撐為較合理的施工方案。

圖4 方案1，2合位移最大值

圖5 方案1，2軸向應(yīng)力最大值