大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工方案數(shù)字化仿真分析

張昊骕，張文學(xué)，張茜，裴彥軍

（中鐵建工集團(tuán)有限公司，北京 100160）

1 引言

隨著社會的發(fā)展，我國建筑的體型外觀越來越追求多樣化，以體現(xiàn)時代的特征，展現(xiàn)都市的風(fēng)貌[1]。近年來，我國大跨度復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)得到了迅猛發(fā)展，各種先進(jìn)的施工技術(shù)層出不窮、日新月異，加之現(xiàn)如今我國鋼材的產(chǎn)量、質(zhì)量也已大幅度提升，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為我國建筑領(lǐng)域的主力軍[2]。而同時隨著技術(shù)的進(jìn)步，業(yè)主對施工進(jìn)度及成本管控的要求也越來越高[3]。在這樣的市場需求下，工程數(shù)字化仿真分析技術(shù)的出現(xiàn)，為此類情況提供了切實可行的解決方案。

施工數(shù)字化仿真是利用計算機(jī)技術(shù)，建立數(shù)字模型，以計算機(jī)為工具，數(shù)字計算為手段，運用數(shù)字化的技術(shù)將建筑的物理信息拷貝到虛擬環(huán)境中，模擬被拷貝對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，從而提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，此為施工數(shù)字化仿真。施工數(shù)字化仿真已經(jīng)將施工企業(yè)大舉進(jìn)軍“工業(yè)4.0”的大門打開，數(shù)字化仿真由產(chǎn)品仿真、生產(chǎn)工藝流程仿真和運維仿真三大板塊組成，而本文側(cè)重的正是生產(chǎn)工藝流程仿真[4]。

2 工程概況

本工程為深圳市寶安區(qū)某公建項目，大連廊鋼結(jié)構(gòu)采用鋼索斜拉橋的設(shè)計理念，整體鑲嵌于兩塔樓之間，并與塔樓上下結(jié)構(gòu)脫開，兩棟主樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，大跨度連廊采用鋼桁架+斜拉索的組合結(jié)構(gòu)。大連廊鋼結(jié)構(gòu)分為上下兩道連廊，獨立形成空間立體桁架結(jié)構(gòu)，大連廊鋼結(jié)構(gòu)通過鋼梁及斜拉索與兩側(cè)核心筒結(jié)構(gòu)相連。下層鋼連廊為7～12 層，標(biāo)高為28.550～49.550 m（均為鋼梁頂標(biāo)高），層高均為4.2 m，其中B 軸、F 軸立面為桁架結(jié)構(gòu)體系，中間D 軸線立面為鋼架與斜拉索組合結(jié)構(gòu)體系，跨度約45 m，斜拉索位于D軸，兩邊對稱設(shè)置3 道，上端固定在核心筒10 層、11 層、12層，穿鋼架結(jié)構(gòu)向下斜拉至7 層結(jié)構(gòu)上，鋼連廊在A 座核心筒向外最大懸挑為10.7 m，鋼連廊在B 座核心筒向外最大懸挑為8.78 m。上層鋼連廊為13～18 層，標(biāo)高為53.750～74.850 m，層高均為4.2 m，其中B 軸、F 軸立面為桁架結(jié)構(gòu)體系，中間D 軸線立面為鋼架與斜拉索組合結(jié)構(gòu)體系，跨度約45 m，斜拉索位于D 軸，兩邊對稱設(shè)置3 道，上端固定在核心筒15 層、16 層、17層，穿鋼架結(jié)構(gòu)向下斜拉至13 層結(jié)構(gòu)上，鋼連廊在A 座核心筒向外懸挑分別10.7 m、6.15 m、2.25 m，鋼連廊在B 座核心筒向外懸挑分別8.78 m、7.34 m。連廊鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要規(guī)格為焊接H 型鋼構(gòu)件和焊接箱型構(gòu)件，材質(zhì)主要為Q355B。

3 數(shù)字化仿真分析思路

由于在施工過程中，還沒有形成穩(wěn)定的受力體系，施工階段荷載與設(shè)計階段荷載差距較大，需通過施工過程的仿真分析確定在施工過程中各個結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件的受力情況，以及胎架支撐體系的安全儲備情況。通過Midas Gen 有限元分析軟件施工仿真模塊，建立模型來模擬施工過程中的施工順序、支座約束條件、邊界條件變化情況、荷載加載情況，使理論分析過程盡可能地貼近實際施工情況。綜合項目部提供的分段點位置，經(jīng)過多次分析比對后對分段點進(jìn)行優(yōu)化，最終得出最優(yōu)的加載順序。根據(jù)施工全過程仿真分析的結(jié)果，確定胎架底部最大反力，后將該反力值代入設(shè)計提供的YJK 模型中，對胎架支撐部位進(jìn)行校核。胎架支撐部位示意圖如圖1所示。

圖1 胎架支撐部位示意圖

4 大連廊安裝方式

本工程采用由下到上逐層高空散拼方式進(jìn)行大連廊施工。經(jīng)分析，大連廊結(jié)構(gòu)無法滿足塔吊單機(jī)吊裝的構(gòu)件要求，可在拼裝投影位置架設(shè)臨時支撐，待構(gòu)件連接后，拆卸臨時支撐。本工程大連廊采用“借助臨時支撐高空散拼”方式安裝。

經(jīng)前期與項目部溝通，該項目部所屬公司租賃站存有一批閑置的整體式塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，材質(zhì)為Q235B，為使閑置資源再利用，控制施工成本，節(jié)約施工費用，將這部分塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)用于搭設(shè)胎架。如圖2所示。

圖2 支撐胎架示意圖

拼裝胎架架設(shè)于±0.000 m 處地下室頂板、頂梁及兩側(cè)裙房5 層頂柱頭、頂梁上，胎架生根部位優(yōu)選為地下室頂板柱頭，次選地下室頂主框架梁上，連廊鋼結(jié)構(gòu)分段點未與胎架支撐點重合，需在以上布置支撐胎架上放置雙H 型488 mm×300 mm×11 mm×18 mm 分配梁，分配梁上對應(yīng)連廊主體結(jié)構(gòu)分段點的位置設(shè)立φ400 mm×12 mm 圓鋼管支撐短柱；胎架底部布置H 型390 mm×300 mm×10 mm×16 mm 底座，用于將胎架底部豎向荷載分散傳遞至地下室頂板上，上述臨時措施材質(zhì)均為Q235B。

5 施工全過程數(shù)字化仿真分析

5.1 設(shè)計荷載

荷載布置分為兩類情況，第一類荷載情況是為了驗證在施工過程中每一個施工步驟在持續(xù)加載下，結(jié)構(gòu)本身以及臨時施工措施的安全性，僅考慮結(jié)構(gòu)自重、0.5 kN/m2的施工活荷載及0.75 kN/m2的基本風(fēng)壓；第二類是為考慮鋼梁預(yù)起拱，需在所有施工步驟模擬結(jié)束后，單獨增加一個工況，對其施加恒載標(biāo)準(zhǔn)值+0.5 倍活載標(biāo)準(zhǔn)值[5]，荷載取值通過該項目設(shè)計單位提供的盈建科軟件計算模型讀取。節(jié)點荷載按20%恒載考慮，合計1.2 倍構(gòu)件自重；施工過程仿真分析不計地震載荷作用。

荷載組合分為：基本組合（1.3 倍恒載+1.5 倍活載）和標(biāo)準(zhǔn)組合（1.0 倍恒載+1.0 倍活載）。

從設(shè)計院提供的計算模型中提取荷載，計算鋼連廊桁架的預(yù)起拱值：考慮鋼結(jié)構(gòu)自重、組合樓板自重；考慮樓面做法荷載2.2kN/m2，屋頂覆土20 kN/m2，幕墻荷載7 kN/m；考慮樓面活荷載（0.5×2）kN/m2。

5.2 計算工況假定

工況假定：鋼結(jié)構(gòu)連廊施工時地下結(jié)構(gòu)、核心筒、6 層以下混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到100%。

該項目施工仿真分析運用Midas Gen 仿真分析計算軟件，按照實際施工次序，對空中連廊進(jìn)行建模分析。

5.3 主要結(jié)果及結(jié)論

通過Midas Gen 有限元分析軟件計算，得出各個施工工況下主體結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力拉索、臨時施工措施等的軸力、彎矩、應(yīng)力、變形、支座反力數(shù)據(jù)，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，判斷危險點位置，在施工過程中對其監(jiān)測，以保證安全。

經(jīng)對計算結(jié)果進(jìn)行分析判斷，對臨時支撐胎架來說，綜合所有施工過程工況來看，變形最大位置為第二排支架最北側(cè)懸挑分配梁端部；最大應(yīng)力240.8 N/mm2，位置為第三排支撐胎架H 型390 mm×300 mm×10 mm×16 mm 田字形頂座。

通過ABAQUS 軟件對此部分建立殼單元進(jìn)行實體仿真分析，該田字形頂座上架設(shè)雙H 型488 mm×300 mm×11 mm×18 mm 分配梁，對田字形底座腹板上兩側(cè)，雙拼工字鋼腹板正壓部位各設(shè)12 mm 厚加勁板一塊。經(jīng)上述計算分析，應(yīng)力、長細(xì)比均滿足規(guī)范要求。

綜合B 軸/F 軸鋼桁架下?lián)现蹬cD 軸因拉索張拉的反拱值，確定B 軸/F 軸鋼桁架預(yù)起拱按圖3 執(zhí)行。

圖3 B軸/F 軸鋼桁架預(yù)起拱值

6 施工支撐胎架對既有結(jié)構(gòu)的影響

取Midas Gen 計算分析得出的各支撐胎架支撐反力最大值Pmax（考慮結(jié)構(gòu)及節(jié)點重量、0.5 kN/m2施工載荷、當(dāng)?shù)匾?guī)范風(fēng)載，未計地震）得出胎架底部反力標(biāo)準(zhǔn)值，代入設(shè)計院提供的盈建科計算模型（模型中反力按Midas 輸出結(jié)果填入，面荷載按施工過程中恒荷載、活荷載按2kN/m2設(shè)置，原模型中其他載荷不予考慮，基本組合采用1.3 倍恒載+1.5 倍活載）進(jìn)行計算，與設(shè)計院提供的施工圖配筋面積核對，部分混凝土梁不滿足承載需求，需采取臨時加固措施，加固措施為在5～6 層間增設(shè)臨時圓鋼管柱和混凝土梁鋼筋配置調(diào)整相結(jié)合。

混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)增加配筋后也均滿足規(guī)范要求，滿足承載要求。

7 結(jié)語

對于本項目而言，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的最不利狀態(tài)時常發(fā)生在施工過程中，所以進(jìn)行施工過程中要進(jìn)行關(guān)鍵步驟的計算，對關(guān)鍵部位關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)很有必要[6]。同時，施工全過程仿真分析的意義在于：一是在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中保證吊裝、焊接等的安全，二是選擇經(jīng)濟(jì)安全的施工方式，并驗證它的可靠性。

由此可見，數(shù)字化仿真技術(shù)應(yīng)用會切實為施工企業(yè)在生產(chǎn)過程中帶來許多實際的好處，在施工企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中將發(fā)揮巨大的作用，使企業(yè)通過靈活高效的方式，縮短施工周期、節(jié)約人力、物力成本，持續(xù)保持市場競爭力。