大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析

張偉超，張磊，王磊，董自運(yùn)，古松，呂勇康

(1.中鐵建工集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.中鐵建工集團(tuán)第三建設(shè)有限公司，天津 300451；3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

1 引言

近年來，大跨度鋼結(jié)構(gòu)因其具有自重輕、受力合理以及造型美觀等優(yōu)點(diǎn)在大型場館設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛[1-3]，其發(fā)展應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國家建筑科學(xué)水平的重要標(biāo)志之一[4]。而大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程是結(jié)構(gòu)體系和受力狀態(tài)不斷變化的過程，結(jié)構(gòu)最終成型質(zhì)量與施工過程中的路徑和時(shí)間有密切的關(guān)系，若某一時(shí)刻結(jié)構(gòu)受力與變形超限，將直接影響結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量，甚至導(dǎo)致施工坍塌事故[5]。

施工過程分析是大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的重要研究內(nèi)容[6-7]?，F(xiàn)有研究多基于有限元法，并結(jié)合生死單元技術(shù)對復(fù)雜大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程展開模擬分析[8-10]，獲得各施工階段桿件的內(nèi)力和變形，確保結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性與成型質(zhì)量。隨著大跨度鋼結(jié)構(gòu)形狀趨于復(fù)雜，施工過程中的坍塌事故仍時(shí)有發(fā)生[11-12]，因此，有必要對大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行分析研究。本文依據(jù)拉薩某大型醫(yī)院項(xiàng)目中的大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)，利用Midas 軟件對其施工全過程進(jìn)行詳細(xì)分析，確保各施工階段結(jié)構(gòu)的安全性與成型質(zhì)量，為此類結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)與施工過程分析研究提供可參考的依據(jù)。

2 工程概況

該醫(yī)院項(xiàng)目位于拉薩市堆龍德慶區(qū)，一期總用地面積200 000 m2，總建筑面積121 450 m2，建筑高度為42.2 m，建設(shè)內(nèi)容包括醫(yī)療綜合樓(包括住院樓、醫(yī)技樓以及門診樓)、感染樓以及污水處理站等建筑，將建成一所集醫(yī)、教、科為一體的三級(jí)甲等醫(yī)院，是西藏三大民生工程之一，項(xiàng)目效果見圖1。

大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)作為醫(yī)療綜合樓的金屬屋面鋼骨架，位于門診樓和醫(yī)技樓之間且左右對稱，單側(cè)重54.8 t，長77.65 m，高為18.95～22.85 m，縱橫向截面尺寸均為曲線變化。主要桿件為箱形桿件和鋼管混凝土柱，鋼材材質(zhì)為Q355B。采用整體拼裝、分段吊裝的原則對大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，共分3 段吊裝，質(zhì)量分別為19.4 t、16.8 t 以及18.6 t，考慮1.4 的動(dòng)荷載系數(shù)，主要采用一臺(tái)130 t 的汽車吊完成吊裝。

3 有限元模型的建立

基于有限元單元法，利用Midas 軟件對大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)的施工過程展開分析。其中結(jié)構(gòu)組、荷載組以及邊界組的定義，是影響施工過程分析精度的控制因素[13]。有限元模型如圖2所示，所有桿件均采用梁單元建模，其中鋼管混凝土柱截面類型為組合截面。整個(gè)施工過程包含4 個(gè)安裝階段和1 個(gè)胎架拆除階段。對于邊界條件，胎架與曲線鋼桁架采用彈性連接中的剛性連接，其余約束如圖2所示。荷載工況類型均為施工階段荷載，包含自重、風(fēng)荷載以及溫度荷載，其中風(fēng)荷載根據(jù)建筑荷載規(guī)范求出標(biāo)準(zhǔn)值，再換算成桿件上線荷載。溫度荷載考慮5～30℃的升溫[14-15]。

4 結(jié)果分析

大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)施工過程包括胎架拆除前后的5 個(gè)施工階段，荷載組合系數(shù)[16]如表1所示。

表1 荷載組合系數(shù)

表1中STL ENV_STR 為承載力極限狀態(tài)的荷載組合，STL ENV_SER 為正常使用極限狀態(tài)的荷載組合，最不利荷載組合為gLCB1。最不利組合荷載下各施工階段的結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)力極值如表2所示。

表2 撓度和應(yīng)力極值

從表2中可看出，臨時(shí)胎架拆除前的第三施工階段結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)力值最大，其分布圖見圖3。臨時(shí)胎架拆除后，結(jié)構(gòu)跨中撓度值達(dá)到90 mm，小于規(guī)范中1/250 跨徑的容許撓度值；結(jié)構(gòu)局部桿件應(yīng)力值達(dá)到299 MPa，小于Q355B 鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度315 MPa，滿足結(jié)構(gòu)安全性的要求，其變形與應(yīng)力分布如圖4所示。

從圖3a 中可看出，在第三施工階段，花瓶形鋼架變形很小，曲線桁架則出現(xiàn)了較大的向下?lián)隙茸冃?，其中第一段曲線桁架中部上弦桿的撓度值達(dá)到12.9 mm，但小于規(guī)范中1/250跨徑的容許撓度值。從圖3b 中可看出，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為77.4 MPa，出現(xiàn)在花瓶形鋼架與第一段桁架連接區(qū)域左側(cè)□100 mm×8 mm 的箱型上弦桿上； 最大壓應(yīng)力為98.1 MPa，出現(xiàn)在中間胎架頂部H300 mm×200 mm 的H 型鋼上。因此，胎架拆除前撓度和應(yīng)力最大的第三施工段的結(jié)構(gòu)滿足成型質(zhì)量和施工安全要求。

從圖4a 中可看出，臨時(shí)胎架拆除后，整體結(jié)構(gòu)撓度變形值達(dá)到90 mm，出現(xiàn)在跨中上弦桿交接處，仍小于規(guī)范中1/250 跨徑的容許撓度值。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，曲線鋼桁架的預(yù)拱值可取100 mm，滿足規(guī)范中1/300 跨徑限值的要求。圖4b 中可看出，整體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為254.4 MPa，出現(xiàn)在圖3b 中連接區(qū)域左側(cè)上弦桿上；最大壓應(yīng)力為299.0 MPa，出現(xiàn)在與最大拉應(yīng)力上弦桿相鄰的□100 mm×8 mm 桁架腹桿上。因此，該大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)和分段吊裝方案是合理的。

在工程計(jì)算時(shí)，一般按照一次成型加載方式計(jì)算結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力。為比較考慮施工過程計(jì)算模型與一次成型加載計(jì)算模型的區(qū)別，相同荷載與約束條件下一次成型加載模型計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

從圖5a 中看出，一次成型加載下，整體結(jié)構(gòu)跨中撓度值為96.3 mm。從圖5b 中看出，整體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值271.7 MPa，與圖4b 中最大壓應(yīng)力出現(xiàn)位置一致，均為連接區(qū)域□100 mm×8 mm 桁架腹桿上；最大壓應(yīng)力值為201.9 MPa，出現(xiàn)在曲線鋼桁架最右側(cè)支座處。

通過比較圖5與圖4可以看出，一次成型加載模型的最大撓度較考慮施工過程計(jì)算模型增大了6.3 mm，花瓶形鋼架撓度變形較小，考慮施工過程計(jì)算模型的撓度變形更為合理；在應(yīng)力分布方面，一次成型加載模型的應(yīng)力最大值比考慮施工過程計(jì)算模型減小了27.3 MPa，最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在連接區(qū)域□100 mm×8 mm 桁架腹桿上，但一個(gè)受拉一個(gè)受壓，根據(jù)連接區(qū)域桿件構(gòu)造和荷載情況，該腹桿受壓更為合理。兩種加載方式下，整個(gè)結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力差值主要集中在花瓶形鋼架及其與桁架的連接區(qū)域，其中最大桿件應(yīng)力差達(dá)到77.2 MPa，出現(xiàn)在花瓶形鋼架底部?；ㄆ啃武摷茏蟀雮?cè)桿件應(yīng)力小于一次加載模型，但花瓶形鋼架右半側(cè)因分段施工的影響而大于一次加載模型。此外，胎架支承位置的桿件應(yīng)力值明顯大于一次加載模型，更加符合實(shí)際情況。第三段曲線桁架最終合攏區(qū)域的桿件應(yīng)力值明顯小于一次加載模型。因此，考慮施工過程的計(jì)算模型更加合理有效，對施工的指導(dǎo)性更強(qiáng)。

5 豎向支承結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

豎向支承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)的施工安全與結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量，有必要對胎架和鋼管混凝土柱進(jìn)行穩(wěn)定性分析。第四施工階段中第三段曲線鋼桁架吊裝到位后，胎架受力最不利；胎架拆除后，鋼管混凝土柱受力最不利，兩者的穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖6。

從圖6a 中可看出，在第四施工階段，胎架的臨界荷載系數(shù)為6.5，大于4.0，滿足施工過程中的臨時(shí)胎架穩(wěn)定性要求。從圖6b 中可看出，曲線鋼桁架合龍成型后，第三段曲線鋼桁架的鋼管混凝土柱的臨界荷載系數(shù)為9.3，大于4.0，滿足施工過程中鋼管混凝土柱穩(wěn)定性要求。因此，包括臨時(shí)胎架和鋼管混凝土柱在內(nèi)的豎向支承結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高，滿足大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)施工對豎向支承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求，保證了結(jié)構(gòu)的施工安全和成型質(zhì)量。

6 結(jié)論

本文基于有限單元法和生死單元技術(shù)，利用Midas 軟件對拉薩某大型醫(yī)院項(xiàng)目中的大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)施工過程展開分析，共涉及5 個(gè)施工階段，得到如下結(jié)論：

1）胎架拆除前，各施工階段結(jié)構(gòu)撓度值小于13 mm，且結(jié)構(gòu)應(yīng)力值在100 MPa 內(nèi)。胎架拆除后，結(jié)構(gòu)撓度極值為90 mm，結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值為299 MPa，建議曲線鋼桁架預(yù)起拱值為100 mm。

2）臨時(shí)胎架和鋼管混凝土柱在最不利荷載下的臨界荷載系數(shù)大于4.0，滿足整體結(jié)構(gòu)分段施工對豎向支承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求。

3）各施工階段的撓度變形、應(yīng)力幅值以及豎向支承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均滿足結(jié)構(gòu)施工安全與成型質(zhì)量要求，大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)和分段吊裝方案是合理的。

4）一次成型加載模型的跨中撓度值比考慮施工過程計(jì)算模型大6.3 mm，而最大應(yīng)力值減小了27.3 MPa，則考慮施工過程的計(jì)算模型更加合理有效，對大跨構(gòu)施工的指導(dǎo)性更強(qiáng)。