頂部斜拉式跨河道多層鋼框架施工技術(shù)及模擬分析*

曲 揚(yáng)，劉書冬，謝 波，邱 健，王文晉，程建軍

(中建八局第三建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210046)

0 引言

隨著我國建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼與索膜結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于會(huì)展中心等公共建筑，鋼-索混合結(jié)構(gòu)在體育場(chǎng)類的大跨度建筑中也已屢見不鮮[1-3]。隨著各類鋼-索混合結(jié)構(gòu)體系的逐漸涌現(xiàn)，施工吊裝順序、平面場(chǎng)地布置、傳力路徑轉(zhuǎn)換、拉索張拉工藝、過程變形控制及邊界條件轉(zhuǎn)換等施工關(guān)鍵問題成為研究重點(diǎn)[4-6]。此類結(jié)構(gòu)受力機(jī)制復(fù)雜、施工效應(yīng)顯著，為避免施工不當(dāng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部損傷、剛度退化、變形過大甚至整體失穩(wěn)，合理的施工工藝、準(zhǔn)確的模擬分析及科學(xué)的健康監(jiān)測(cè)，是保證施工安全的可靠手段[7]。

1 工程概況

西交利物浦大學(xué)太倉校區(qū)位于江蘇省蘇州市，項(xiàng)目整體呈環(huán)形分布，包括7幢U形教學(xué)樓單體、2幢圓形教學(xué)樓單體和1座體育館多功能廳，建筑面積27.25萬m2，總用鋼量達(dá)1.2萬t，如圖1所示。Y字形內(nèi)河道穿過校園，將教學(xué)區(qū)分為3塊，采用頂部斜拉式大跨度多層鋼框架結(jié)構(gòu)(簡稱“跨河連接體”)跨河道連接教學(xué)樓，如圖2所示。教學(xué)樓頂部為周長1 000m的圓環(huán)鋼結(jié)構(gòu)，將整個(gè)校園連為一體。

圖1 西交利物浦大學(xué)太倉校區(qū)效果

圖2 跨河連接體效果

2 中心擴(kuò)展法施工工藝

2.1 結(jié)構(gòu)體系

跨河連接體結(jié)構(gòu)高30.6m，跨度為92.2m，柱距為38.8m，用鋼量達(dá)3 000t。結(jié)構(gòu)由4根φ2 100鋼管混凝土柱支承，下設(shè)2座22.8m×13.2m×3.6m大體積混凝土承臺(tái)作為剛性支座，上部結(jié)構(gòu)為3層鋼框架連廊，由16組高釩密閉鋼絲雙索吊掛，將樓層豎向荷載傳遞至支承柱，索長25m、直徑120mm。頂部為屋頂圓環(huán)鋼結(jié)構(gòu)，采用平面框架體系。結(jié)構(gòu)外立面均采用全玻璃幕墻圍護(hù)，頂部圓環(huán)采用漸變色鋁板包裹?？绾舆B接體兩側(cè)均設(shè)置變形縫，與兩側(cè)教學(xué)樓相互獨(dú)立[8]。

2.2 施工次序

由于兩側(cè)均為在施教學(xué)樓，受限于場(chǎng)地條件，跨河連接體鋼構(gòu)件最大吊重為60t，最長吊距為30m，因此，選用1臺(tái)250t履帶式起重機(jī)和2臺(tái)80t汽車式起重機(jī)配合吊裝。

中心擴(kuò)展法施工次序如圖3所示。施工過程中，首先澆筑大體積混凝土承臺(tái)，形成支座，然后吊裝勁性支承柱，綁扎并澆筑柱間剪力墻。鋼框架吊裝階段，首先安裝核心區(qū)支撐胎架，在胎架基礎(chǔ)上自下而上逐層安裝核心區(qū)鋼框架直至屋頂圓環(huán)鋼結(jié)構(gòu)。完成核心區(qū)鋼結(jié)構(gòu)吊裝后，安裝懸挑段支撐胎架并自下而上吊裝懸挑段鋼構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)鋼框架逐層擴(kuò)展。吊裝過程中，對(duì)勁性支承柱關(guān)鍵梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鉸接處理。

圖3 中心擴(kuò)展法施工次序

完成全部吊裝作業(yè)后，安裝斜拉索，采用5級(jí)對(duì)稱式循環(huán)張拉，即將斜拉索分為勁性柱內(nèi)、外側(cè)，張拉分為5級(jí)，每級(jí)拉力取設(shè)計(jì)索力的20%，每級(jí)張拉先同步張拉勁性柱內(nèi)側(cè)，再同步張拉勁性柱外側(cè)，以此循環(huán)張拉，確保拉索吊掛力均為對(duì)稱式加載，從而控制不對(duì)稱拉力引起的結(jié)構(gòu)傾斜。隨后進(jìn)行胎架自然卸載，最終達(dá)到設(shè)計(jì)索力。最后鋪設(shè)并澆筑樓承板，完成關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)剛接處理。

2.3 工藝效果

1)逐層擴(kuò)展 將核心區(qū)鋼框架與懸挑段鋼構(gòu)件分開吊裝，即在核心區(qū)吊裝完畢后，吊裝機(jī)械逐步外退吊裝懸挑段，鋼框架實(shí)現(xiàn)逐層擴(kuò)展安裝至設(shè)計(jì)位形的同時(shí)，最大程度地節(jié)省吊裝場(chǎng)地，減小吊裝半徑，節(jié)約機(jī)械投入。

2)循環(huán)擴(kuò)展 采用5級(jí)對(duì)稱式循環(huán)張拉工藝進(jìn)行斜拉索張拉，使索體拉力循環(huán)擴(kuò)展張拉至設(shè)計(jì)索力，確保施工安全，提高安全冗余。

3)逐級(jí)擴(kuò)展 斜拉索張拉后，鋼框架已吊掛并產(chǎn)生變形，此時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為鉸接，可提前釋放節(jié)點(diǎn)次彎矩。隨著墻體、面層、幕墻等施工加載，建筑荷載逐級(jí)擴(kuò)展至與拉索吊掛力接近，形成平衡狀態(tài)，此時(shí)鋼框架變形趨于水平、穩(wěn)定，再進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)剛接處理，而后鋪設(shè)并澆筑樓承板，可提升成型質(zhì)量，減少開裂隱患。

3 施工過程模擬分析

3.1 計(jì)算模型

采用MIDAS對(duì)跨河連接體整體模型進(jìn)行施工過程模擬分析，計(jì)算模型如圖4所示。采用ANSYS Workbench對(duì)拉索節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工過程有限元模擬分析，實(shí)體模型如圖5所示。

圖4 跨河連接體整體模型

圖5 拉索節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型

3.2 施工荷載

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》要求，荷載及各項(xiàng)系數(shù)取值為：構(gòu)件自重由程序自動(dòng)計(jì)算，安全系數(shù)取1.1；施工活荷載按2.0kN/m2逐層考慮；構(gòu)件吊裝動(dòng)力系數(shù)取1.3；內(nèi)力驗(yàn)算時(shí)，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.3，活荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5。

3.3 邊界條件

為保證模擬分析的可靠性，將勁性支承柱納入整體模型中，柱下大體積承臺(tái)作為剛性支座考慮。跨河連接體兩側(cè)由于變形縫斷開，無支座約束。勁性支承柱關(guān)鍵梁柱節(jié)點(diǎn)在施加建筑荷載前為鉸接，而后轉(zhuǎn)為剛接。拉索節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型中，鋼柱上、下端為固定端，錨具端頭施加張拉力。

3.4 結(jié)果分析

針對(duì)跨河連接體整體模型進(jìn)行施工過程模擬分析，根據(jù)中心擴(kuò)展法施工工藝，將施工過程劃分為38個(gè)施工步。計(jì)算結(jié)果表明，在斜拉索張拉前一施工步，鋼構(gòu)件應(yīng)力達(dá)到最大，為144.41MPa(見圖6a)，應(yīng)力比控制在0.5以內(nèi)，位于4層鋼梁處；斜拉索張拉后，傳力路徑轉(zhuǎn)換，鋼構(gòu)件最大應(yīng)力位于勁性柱處；在臨時(shí)支撐卸載施工步，結(jié)構(gòu)變形達(dá)到最大，為48.27mm(見圖6b)。應(yīng)力與變形均滿足規(guī)范要求。

針對(duì)拉索節(jié)點(diǎn)5級(jí)對(duì)稱式循環(huán)張拉過程進(jìn)行有限元模擬分析，提取Von Mises應(yīng)力，如圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明，耳板最大應(yīng)力為148.35MPa，位于耳板與鋼柱連接處，材料屈服強(qiáng)度為400MPa；銷軸最大應(yīng)力為263.12MPa，位于下孔銷軸與耳板連接處，材料屈服強(qiáng)度為785MPa，兩者應(yīng)力均小于其屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力比均控制在0.4以內(nèi)，應(yīng)力分布合理，且留有較多余量。

圖7 拉索節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖(單位：MPa)

4 施工過程健康監(jiān)測(cè)

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

為保證施工過程中及施工完成后運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)各種工作狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，準(zhǔn)確評(píng)估其力學(xué)狀態(tài)和可能出現(xiàn)的損傷，需合理布置健康監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位[9-11]。

由于跨河連接體結(jié)構(gòu)體系新穎，傳力路徑復(fù)雜，需對(duì)構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)變形、不均勻沉降及振動(dòng)加速度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共布置260個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 健康監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

以典型斜拉索張拉力和索節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果為例進(jìn)行評(píng)估分析，對(duì)比分析實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值，如圖8，9所示。結(jié)果表明，斜拉索分級(jí)張拉力與設(shè)計(jì)索力吻合度較高，卸載后相對(duì)誤差僅為3.7%，張拉過程中相對(duì)誤差控制在10%以內(nèi)；索節(jié)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值普遍小于設(shè)計(jì)值，最大誤差達(dá)18%，這是由于有限元分析中采取了較保守的計(jì)算方法和本構(gòu)模型，高估了索節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變。監(jiān)測(cè)評(píng)估結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與模擬分析基本吻合，索拉力可在結(jié)構(gòu)卸載后達(dá)到設(shè)計(jì)值，施工過程具備富足的安全儲(chǔ)備。

圖8 斜拉索分級(jí)張拉索力對(duì)比

圖9 索節(jié)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比

5 結(jié)語

1)針對(duì)頂部斜拉式大跨度多層鋼框架結(jié)構(gòu)，采用中心擴(kuò)展法施工工藝進(jìn)行施工，使鋼框架逐層擴(kuò)展安裝至設(shè)計(jì)位形，斜拉索力循環(huán)擴(kuò)展張拉至設(shè)計(jì)索力，建筑荷載逐級(jí)擴(kuò)展加載至與吊掛力平衡，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)約機(jī)械投入、提高成型質(zhì)量、確保施工安全的效果。

2)采用MIDAS對(duì)施工過程進(jìn)行模擬分析，施工步按中心擴(kuò)展法施工工藝劃分。構(gòu)件最大應(yīng)力為144.41MPa，結(jié)構(gòu)最大變形為48.27mm，構(gòu)件應(yīng)力比均控制在0.5以內(nèi)，具有富足的安全儲(chǔ)備。

3)采用ANSYS Workbench對(duì)斜拉索節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，在5級(jí)對(duì)稱式循環(huán)張拉施工過程中，耳板最大應(yīng)力達(dá)148.35MPa，銷軸最大應(yīng)力達(dá)263.12MPa，最大應(yīng)力比均控制在0.4以內(nèi)，滿足施工安全性要求。

4)施工過程中，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)吊裝和索體分級(jí)張拉進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和評(píng)估。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程力學(xué)狀態(tài)與模擬分析基本吻合，斜拉索采用5級(jí)張拉可在結(jié)構(gòu)卸載后達(dá)到設(shè)計(jì)索力。