巨型鋼框架上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)施工新技術(shù)仿真分析

黃星海, 王靜峰, 宣 明, 李德章, 郭 磊, 霍永倫

(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.合肥市重點工程建設(shè)管理局,安徽 合肥 230001)

0 引 言

隨著城市建設(shè)飛速發(fā)展和建筑技術(shù)的日新月異,各種形式的大型鋼框架結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn),也不斷對設(shè)計和施工提出各種新的挑戰(zhàn)。在解決多、高層建筑大空間使用問題時,許多建筑都采用懸掛結(jié)構(gòu)形式[1],例如廣東省博物館新館、香港匯豐銀行、美國明尼阿波利斯聯(lián)邦儲備銀行等建筑。中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院(簡稱“量子院”)1號科研樓鋼結(jié)構(gòu)采用巨型鋼框架上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)形式。它與廣東省博物館新館等懸掛結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別,其主要結(jié)構(gòu)特征是以巨型鋼框架為主要受力體系,部分樓層通過吊柱將豎向荷載傳至頂部桁架,其余樓層荷載則由底部桁架承擔(dān),傳力途徑明確,有效地解決了懸掛結(jié)構(gòu)樓層剛度突變較大、結(jié)構(gòu)冗余度偏小、豎向振動明顯和施工困難等技術(shù)難題。本文項目研究組針對量子院1號科研樓項目,研發(fā)巨型鋼框架上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)體系施工新技術(shù),利用有限元軟件Midas Gen建立上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)理論分析模型,對上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)施工全過程進行仿真分析,根據(jù)分析結(jié)果對施工方案提出合理建議。本文研究結(jié)果為巨型鋼框架上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)的安全施工提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

量子院1號科研樓位于合肥市高新區(qū),其設(shè)計理念來源于愛因斯坦的光量子假說E=hv,項目一期建筑呈H型,二期建筑呈V型。量子院1號科研樓模型及部分鋼結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示(單位為m)。

量子院1號科研樓總建筑面積約為2.53×104m2,由南、北2棟高層建筑及其裙房組成,中間采用鋼結(jié)構(gòu)連廊連接,共劃分H1～H8 8個施工區(qū)域。其中,南樓H1區(qū)鋼結(jié)構(gòu)高度為57.6 m,軸A、B之間跨度為8.4 m,軸C、D之間跨度為10.8 m,最西側(cè)為長15 m的懸挑桁架結(jié)構(gòu);中間為45 m跨河桁架結(jié)構(gòu),共10層(F3～F12)。H1區(qū)結(jié)構(gòu)主體采用巨型鋼框架上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)形式,框架柱采用巨型箱型截面鋼管混凝土柱,內(nèi)填C40強度混凝土,主要截面尺寸(單位為mm)為□1 000×800×40、□800×800×40,最大截面尺寸達□1 600×800×60。

跨河桁架為由4榀框架組成的上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)體系;在其頂部與底部分別設(shè)置1道桁架加強層,底部桁架層(F3～F4)高度為5.7 m,下弦標高為12.00 m,頂部桁架層(F11～F12)高度為6.9 m,桁架層與其他樓層結(jié)構(gòu)之間采用H型鋼吊柱進行連接,鋼梁與吊柱連接節(jié)點為全焊接節(jié)點,鋼梁與框架柱之間采用栓焊節(jié)點進行連接。主要桿件的截面尺寸見表1所列。

圖1 量子院1號科研樓模型及部分鋼結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主要桿件尺寸與材質(zhì)

2 上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)施工方案

南樓H1區(qū)鋼結(jié)構(gòu)高度高且跨度大,施工時底部桁架層無法承擔(dān)上部樓層結(jié)構(gòu)及頂部桁架層的重量,因此施工過程采用全支架法,即在格構(gòu)式臨時支撐上進行該區(qū)域桿件的安裝。

該區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)施工按自下向上順序施工,首先在上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)底部架設(shè)格構(gòu)式臨時支撐,然后安裝F3、F4層桁架結(jié)構(gòu)。采用順序方法進行施工時,在頂部桁架未施工前,該區(qū)域結(jié)構(gòu)為下部支承體系,為防止F4與F5之間吊柱內(nèi)力過大導(dǎo)致開裂,在底部桁架上弦架設(shè)φ600 mm×12 mm鋼管臨時支撐代替該層吊柱;依次安裝其他樓層鋼梁及吊柱,最后進行頂部桁架的拼裝,完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。上部懸掛下部支承區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)施工完成后,開始進行混凝土樓板的澆筑,混凝土采用逆序的方式進行澆筑,連接部位預(yù)留后澆帶使結(jié)構(gòu)豎向位移得到部分釋放。首先澆筑底部及頂部桁架層的混凝土樓板,待混凝土到達設(shè)計強度,按照先后順序拆除鋼管臨時支撐及底部格構(gòu)式臨時支撐,然后從上到下依次澆筑其他樓層混凝土樓板,混凝土澆筑完成后安裝F4、F5層之間吊柱,至結(jié)構(gòu)合攏。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況將施工過程分為8個施工工況,主要施工步驟如圖2所示。具體鋼構(gòu)件拼裝、卸載及混凝土澆筑過程見表2所列。

圖2 上部懸掛下部支承鋼結(jié)構(gòu)主要施工步驟示意圖

表2 工況及主要內(nèi)容

3 上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)施工模擬

本文采用累加模型法[2-3]對上部懸掛下部支承區(qū)域結(jié)構(gòu)的施工全過程進行仿真模擬分析。首先定義各施工步驟的結(jié)構(gòu)組、荷載組及邊界組,然后根據(jù)現(xiàn)場施工工況對各個施工步驟的組進行激活或鈍化。在分析過程中,下一個施工步驟是建立在上一個施工步驟基礎(chǔ)上的,并非建立與施工步驟相對應(yīng)的多個獨立模型。

通過有限元軟件Midas Gen建立有限元分析模型,上部懸掛下部支承區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)桿件采用梁單元模擬,混凝土樓板采用板單元模擬。整體結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)采用固結(jié)方式,忽略地基及基礎(chǔ)沉降等因素對結(jié)構(gòu)體系的影響。上部懸掛下部支承區(qū)域結(jié)構(gòu)主要施工步驟的有限元分析模型如圖3所示。

圖3 主要施工步驟對應(yīng)的有限元分析模型

對于大跨度鋼結(jié)構(gòu),環(huán)境溫度的變化將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化。根據(jù)量子院1號科研樓工程施工方案,上部懸掛下部支承區(qū)域結(jié)構(gòu)施工時間為2018年12月至2019年7月,施工周期包括春、夏、冬3個季節(jié),施工過程中的荷載除結(jié)構(gòu)自重外,季節(jié)性溫度作用的影響十分明顯,必須考慮溫度作用[4]。鑒于施工過程中人行荷載等活載的隨機性,將結(jié)構(gòu)自重放大1.2倍進行模擬。在分析過程中只考慮均勻溫度(年溫差)的影響,不考慮日照在鋼結(jié)構(gòu)桿件表面產(chǎn)生局部升溫等不均勻溫度變化的影響,以合攏溫度作為基準溫度[5-6],對不同施工步驟內(nèi)的桿件施加相應(yīng)的溫度荷載,即基準溫度與桿件安裝溫度的差值。結(jié)合本工程施工計劃,初步假定合攏溫度為25 ℃,桿件的安裝溫度為該施工步驟所處的當(dāng)月平均氣溫。查閱相關(guān)氣象資料,得到整個施工過程的月平均氣溫如圖4所示。

圖4 月平均氣溫

通過施工工況可知,該區(qū)域結(jié)構(gòu)在整個施工過程中存在3次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換,分別在安裝頂部桁架(工況4)、拆除鋼管臨時支撐(工況6)、安裝合攏桿件(工況8)3個時段。在體系轉(zhuǎn)換過程中,吊柱所處的應(yīng)力狀態(tài)是否在安全范圍內(nèi)對該結(jié)構(gòu)施工具有重要影響。由于軸C、D之間的跨度與軸A、B之間相比較大,故選取C軸框架進行分析,C軸部分吊柱編號位置如圖5所示。

圖5 C軸部分吊柱編號

C軸部分吊柱在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換前、后的應(yīng)力狀態(tài)見表3所列。部分工況下上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布如圖6所示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn),未拆除臨時支撐時,結(jié)構(gòu)在施工過程中桿件應(yīng)力最大值為195.3 MPa,應(yīng)力最大值位于格構(gòu)式臨時支撐;拆除臨時支撐并完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換后,結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力最大值為151.4 MPa,最大應(yīng)力桿件位于C軸F7層邊跨,均滿足文獻[7]中規(guī)定的桿件屈服強度值335 MPa。結(jié)構(gòu)在整個施工過程中受溫度作用的影響十分明顯,在溫度作用影響下最大應(yīng)力差值達45 MPa,如圖7所示,施工過程應(yīng)考慮溫度影響。

表3 結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換前、后C軸12個吊柱的應(yīng)力 單位:MPa

圖6 量子院上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)的主要施工過程模擬

圖7 溫度作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值

結(jié)構(gòu)第1次體系轉(zhuǎn)換后(工況4),吊柱仍處于壓應(yīng)力狀態(tài),這是由于在安裝頂部桁架時底部格構(gòu)式臨時支撐沒有拆除,底部桁架沒有發(fā)揮“懸掛”的作用,結(jié)構(gòu)荷載主要由格構(gòu)式臨時支撐承擔(dān)。結(jié)構(gòu)第2次體系轉(zhuǎn)換后(工況6),吊柱均由壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力狀態(tài),這是由于拆除底部桁架上層鋼管臨時支撐后,樓層結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向位移,頂部桁架發(fā)揮作用,成為主要受力結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)第3次體系轉(zhuǎn)換后(工況8),由于合攏桿件的安裝,底部桁架與頂部桁架共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載,1號、2號、3號、5號吊柱再次由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為受壓狀態(tài),形成上部懸掛下部支承體系。根據(jù)表3結(jié)果進行計算可得,結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程中,吊柱拉、壓應(yīng)力變化范圍在-51～43 MPa之間。上述模擬分析結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)所采用的施工方法和施工順序可以滿足文獻[7]要求,能夠保證結(jié)構(gòu)施工全過程的安全性。

4 合攏最佳溫度的確定

文獻[8-9]研究表明,鋼結(jié)構(gòu)施工過程中,不同的合攏溫度對成型后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響很大。對于上部懸掛下部支承這種大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系,施工過程存在體系轉(zhuǎn)換,應(yīng)選擇合適的合攏溫度,使得結(jié)構(gòu)合攏后的應(yīng)力較小。

根據(jù)相關(guān)氣象資料,合肥市年極端最低氣溫為-20.6 ℃,年極端最高氣溫為38 ℃,因此在模擬分析中,將極端最低氣溫-20 ℃與極端最高氣溫40 ℃作為設(shè)計條件,給出不同合攏溫度下結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值的變化曲線,如圖8所示。

圖8 合攏溫度與最大應(yīng)力的關(guān)系

由圖8可知:在極端溫度作用下,上部懸掛下部支承區(qū)域結(jié)構(gòu)隨合攏溫度的改變發(fā)生顯著變化;在極端最低氣溫下,結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值隨合攏溫度的升高而升高;在極端最高氣溫下,結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值隨合攏溫度的升高而降低。因此,在結(jié)構(gòu)合攏階段必須考慮合攏溫度對結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的影響,根據(jù)施工計劃,結(jié)構(gòu)合攏預(yù)計在2019年7月中旬進行施工,結(jié)合合肥市7月氣象資料,建議合攏溫度為20～25 ℃,盡量選擇在夜間或陰天進行合攏。

5 變形預(yù)調(diào)值分析

對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑,若按照設(shè)計位形對構(gòu)件進行加工制作,或者以設(shè)計位形作為構(gòu)件安裝的初始位形,則由于施工過程構(gòu)件產(chǎn)生的變形,結(jié)構(gòu)的成型位形與設(shè)計位形存在一定偏差,會導(dǎo)致建筑造型不滿足美學(xué)要求,甚至導(dǎo)致建筑無法正常使用。因此,在結(jié)構(gòu)施工前,須對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置變形預(yù)調(diào)值,來補償結(jié)構(gòu)在施工過程中發(fā)生的變形,使結(jié)構(gòu)的成型位形與設(shè)計位形相差不大。鋼結(jié)構(gòu)變形預(yù)調(diào)值包括構(gòu)件的加工預(yù)調(diào)值和安裝預(yù)調(diào)值。構(gòu)件的加工預(yù)調(diào)值為構(gòu)件的加工長度與設(shè)計長度的差值,用來補償施工過程中構(gòu)件的軸向壓縮或拉伸所產(chǎn)生的變形。構(gòu)件的安裝預(yù)調(diào)值為構(gòu)件節(jié)點的安裝坐標與設(shè)計坐標的差值,用來補償施工過程中節(jié)點所產(chǎn)生的位移。

由于上部懸掛下部支承區(qū)域結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu),故選取1榀框架進行分析。按照設(shè)計位形進行施工完畢后(工況8),上部懸掛下部支承C軸框架在自重作用下的豎向變形如圖9所示。結(jié)構(gòu)施工完成后向下彎曲,最大位移為16.4 mm,發(fā)生在底部桁架層下弦跨中位置處,因此,若按照設(shè)計位形作為結(jié)構(gòu)的安裝位形,則結(jié)構(gòu)成型位形與設(shè)計位形不一致,且誤差較大。在該結(jié)構(gòu)體系中,頂部桁架層和底部桁架層分別起到懸掛和支承的作用,屬于主要受力部位,因此保證桁架層構(gòu)件成型位形與設(shè)計坐標一致尤為關(guān)鍵,必須在施工過程中對桁架層設(shè)置變形預(yù)調(diào)值。

圖9 工況8豎向位移云圖

本文采用正裝迭代法[10]來計算上部懸掛下部支承區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)的施工變形預(yù)調(diào)值,其基本思路為:首先將結(jié)構(gòu)設(shè)計位形作為構(gòu)件安裝的初始位形,按照實際施工步驟對結(jié)構(gòu)進行全過程施工模擬分析,最終得到結(jié)構(gòu)成型的豎向變形,把變形值反號施加到設(shè)計位形上,依次迭代計算直至結(jié)構(gòu)最終成型位形與設(shè)計位形一致或兩者差值小于誤差值,此時的位形即為結(jié)構(gòu)安裝的初始位形。

首先按照結(jié)構(gòu)實際安裝位置將桁架層下弦桿件分割為15段,分割節(jié)點編號如圖10所示。底部桁架層下弦設(shè)置預(yù)調(diào)值前、后結(jié)構(gòu)成型位形與設(shè)計位形差值的對比情況如圖11所示。

圖10 下弦桿分割節(jié)點編號

圖11 結(jié)構(gòu)預(yù)調(diào)前、后變形差值對比

由圖11可知,對底部桁架層下弦進行變形預(yù)調(diào)控制后,結(jié)構(gòu)的成型位形與設(shè)計位形的差值明顯變小,最大差值為0.07 mm,滿足施工要求。

6 上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)的卸載分析

由于上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)臨時支撐體系有2種,分為2次卸載,即鋼管臨時支撐卸載與格構(gòu)式臨時支撐卸載。鋼管臨時支撐卸載時,底部桁架與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生脫離,各樓層結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向位移,此時頂部桁架發(fā)揮作用成為主要受力結(jié)構(gòu)。為保證卸載過程中頂部桁架最大應(yīng)力和各樓層結(jié)構(gòu)豎向位移處于安全范圍內(nèi),有必要對卸載過程進行模擬分析[11-12]。本文采用間隙單元對卸載過程進行分析,根據(jù)卸載前、后各支撐點的位移變化,在各支撐點處輸入間隙值,即各點位移變化值的20%、40%、60%、80%、100%。分析結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 頂部桁架應(yīng)力最大值

圖13 樓層結(jié)構(gòu)豎向位移最大值

由圖12、圖13可知,在鋼管臨時支撐卸載過程中,頂部桁架最大應(yīng)力變化值為1.6 MPa,卸載完成后應(yīng)力最大值為35.2 MPa;樓層最大豎向位移變化值為1.4 mm,卸載完成后豎向位移最大值為-11.6 mm。分析結(jié)果表明,在卸載過程中,桿件處于彈性狀態(tài),每次卸載階段的變化值均處于安全范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)具有較高的安全儲備,卸載方案可行。

7 結(jié) 論

(1) 本文提出上部懸掛下部支承鋼結(jié)構(gòu)采用自下向上順序的方法進行施工,施工過程中桿件應(yīng)力最大值為195.3 MPa,施工方案可行?？紤]溫度作用的影響,桿件安裝溫度引起的應(yīng)力變化達45 MPa,在施工過程中應(yīng)考慮溫度變化的影響。

(2) 上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程中,吊柱拉、壓應(yīng)力變化范圍在-51～43 MPa之間,處于安全范圍內(nèi)。

(3) 不同合攏溫度對上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)竣工后的應(yīng)力影響較大,選擇合理的合攏溫度可以有效地減小結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平,結(jié)合合肥市氣象資料,確定合攏溫度范圍為20～25 ℃。

(4) 采用正裝迭代法對結(jié)構(gòu)桿件的安裝位形進行變形預(yù)調(diào)值分析,可以有效控制結(jié)構(gòu)的成型位形與設(shè)計位形的差值。

(5) 上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)在卸載過程中,頂部桁架最大應(yīng)力變化值為1.6 MPa,樓層最大豎向位移變化值為1.4 mm,每次卸載頂部桁架最大應(yīng)力與樓層豎向位移變化值均較小,結(jié)構(gòu)卸載安全性高,卸載方案可行。