某大跨復(fù)雜博物館鋼結(jié)構(gòu)施工過程模擬研究★

王亞赫，翟宏波，李自冬

(1.中國十九冶集團有限公司，四川 成都 610100；2.中冶建工集團有限公司，重慶 400084)

大跨復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)施工過程中由準(zhǔn)結(jié)構(gòu)向結(jié)構(gòu)過渡過程中，受力情況復(fù)雜多變。準(zhǔn)結(jié)構(gòu)在施工和設(shè)計階段的邊界條件、荷載、結(jié)構(gòu)形式有所不同，在處于施工階段時所遇到的力學(xué)問題多變復(fù)雜[1]。進行復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)的建造施工時，某些荷載等逐級施加于非完整結(jié)構(gòu)上，而其穩(wěn)定性、承載能力尚未可知，其形態(tài)處于動態(tài)變化過程，邊界條件也與設(shè)計階段不同，在不同施工階段構(gòu)件最大應(yīng)力和位移也有所變化，故進行施工力學(xué)性能分析時，對保證復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的施工安全非常必要。

學(xué)者們對復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程進行了大量模擬分析。石開榮[2]對某高層鋼結(jié)構(gòu)進行了施工全過程模擬，并在關(guān)鍵構(gòu)件處進行施工監(jiān)測，對比二者結(jié)果，得到施工過程模擬對實際工程施工及監(jiān)測作用明顯。吳窮[3]以某網(wǎng)球中心為例，采用Midas按施工順序進行全過程分析，選取關(guān)鍵節(jié)點，將模擬與監(jiān)測結(jié)果對比，驗證施工方案合理性。劉宜豐[4]對某展覽館進行靜力、復(fù)雜節(jié)點分析，表明節(jié)點對整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較大。郭彥林[5]提出對結(jié)構(gòu)施工各階段內(nèi)力和位移進行跟蹤計算，找出最危險階段并進行準(zhǔn)確控制。劉繼澤等[6-7]對結(jié)構(gòu)施工工藝進行研究，提出合理的分條分塊安裝方法，實現(xiàn)和其他構(gòu)件的整體性拼接工作。李治[8]對某鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的施工進行模擬，得到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在施工全過程的應(yīng)力大小，保證了施工過程中的安全性。閏淼等[9]運用ANSYS對某博物館的部分復(fù)雜節(jié)點進行了分析，為實際施工提供了更合理的節(jié)點設(shè)計。黃海[10]通過試驗研究了節(jié)點破壞模式及應(yīng)變等，得到節(jié)點在最不利工況下的受力性能。

綜上所述，對于復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)的施工過程以及施工可靠性分析至關(guān)重要。采用Midas Gen分析整體結(jié)構(gòu)，利用ANSYS分析節(jié)點，對某復(fù)雜博物館鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、復(fù)雜節(jié)點在施工過程中的受力狀態(tài)、主館的施工過程及屋蓋分條分塊吊裝時應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性進行分析，以期獲得結(jié)構(gòu)在施工中最不利階段及施工過程中準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形發(fā)展規(guī)律，為類似工程施工提供建議。

1 整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

1.1 模型介紹

博物館主體外觀為倒錐體，主館地下1層，地上3層，博物館長約78 m，寬約54 m，建筑高度23.9 m，其三維模型見圖1。鋼構(gòu)主要構(gòu)件截面尺寸見表1。

表1 主要構(gòu)件尺寸

整體結(jié)構(gòu)計算模型梁柱均采用梁單元，樓面板及屋面板采用板單元，邊界條件為24個方鋼管柱底固接。恒載DL考慮鋼結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)自重、樓板，屋面板及鋪裝自重。各展廳活荷載LL取值不同(見表2)，均以壓力荷載形式施加樓板面荷載。風(fēng)荷載W轉(zhuǎn)化為節(jié)點載荷施加在橢圓弱軸方向。

表2 恒、活荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kN/m2

1.2 模型驗證

主館抗震等級為四級，6度設(shè)防，場地類別為Ⅱ級，根據(jù)規(guī)范選取三條地震波進行分析。對模型進行特征值分析，選取博物館復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)前三階振型進行分析，見表3。結(jié)構(gòu)振型前兩階為平動，第三階為扭轉(zhuǎn)，說明主館結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，符合相關(guān)規(guī)范要求。

表3 振型參與質(zhì)量

1.3 整體結(jié)構(gòu)靜力性能分析

由于準(zhǔn)結(jié)構(gòu)在施工過程中其應(yīng)力及變形存在不確定性，對結(jié)構(gòu)的安裝過程進行跟蹤，確保施工方案可行[11]。當(dāng)應(yīng)力及變形超限時，應(yīng)采取施工方案、調(diào)整吊點布局等調(diào)整，進而提高準(zhǔn)結(jié)構(gòu)施工過程中的穩(wěn)定性，保證施工過程的安全。按規(guī)范對博物館主體結(jié)構(gòu)在不同地震波下的應(yīng)力時程進行分析，選取三種典型工況進行數(shù)值計算分析，荷載組合：1)標(biāo)準(zhǔn)荷載組合：1.3DL；2)基本荷載組合：1.5DL。荷載組合見表4。分析結(jié)果見圖2,圖3。

表4 工況計算統(tǒng)計

可知：1)工況一柱頂梁柱節(jié)點最大拉應(yīng)力207.86 MPa，柱底最大壓應(yīng)力為138.42 MPa，樓板中心最大撓度為50.52 mm；2)工況二柱頂梁柱節(jié)點最大拉應(yīng)力237.52 MPa，柱底最大壓應(yīng)力為150.9 MPa，主梁跨中應(yīng)力較大約為130 MPa，樓板中心最大撓度為53.39 mm，考慮風(fēng)載后其最大壓應(yīng)力增加12.48 MPa，增幅為9%，其最大拉應(yīng)力增大29.66 MPa，增幅為14%；3)工況三柱頂梁柱節(jié)點最大拉應(yīng)力為213.89 MPa，柱底最大壓應(yīng)力60.38 MPa，樓板中心處最大撓度為50.22 mm，考慮XY向反應(yīng)譜時，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力較工況二降低10%，樓板中心最大撓度較前兩種工況均下降。

2 施工方案

2.1 設(shè)計參數(shù)

按照規(guī)范采用高空散拼法、分條分塊法進行施工[12]，主館的施工過程分為一層吊裝、二層吊裝、屋蓋吊裝和單根構(gòu)件吊裝。屋蓋為橢圓形錐體，短軸向坡度為28%，長軸向坡度為19.09%，屋蓋懸挑梁最長為5.24 m。Y字形柱傾斜角度均為34.22°；斜柱短軸向?qū)ΨQ布置；中間直柱短軸向?qū)ΨQ布置；鋼梁均為H型。據(jù)場地條件將框架柱分為負一層至一層、二層至屋蓋兩段吊裝，斷開節(jié)點位于二層底1 m附近的位置。斷開后最長柱長16.7 m，9.5 t；最長梁長12.7 m，重4.2 t。

2.2 主館施工方案

主館施工時采用35 t汽車吊，對H型支腿進行4點支撐，縱橫跨5.75 m×7.2 m；伸縮臂架為五節(jié)臂，全伸臂長43 m，副臂長為16 m，主臂全伸起升高43.5 m，吊車帶副臂最大起升高59.5 m。吊車臂由高強度焊接結(jié)構(gòu)鋼制成，截面為U形截面。其主鉤最大吊重為35 t，副鉤最大吊重為5 t。主館鋼結(jié)構(gòu)吊裝流程為：底層第一節(jié)柱→二層主梁→二層次梁→第二節(jié)柱→三層主梁→三層次梁→屋面梁→收尾吊裝。起柱順序則為先中間起柱，后兩邊起柱，柱吊裝完成后，先吊裝短跨方向的主梁，再吊邊柱區(qū)域內(nèi)的主次梁；柱及主梁吊裝完成后，需對所有柱進行測量復(fù)核，后進行次梁、外環(huán)梁的吊裝；主次梁及外環(huán)吊裝完成后，再對柱進行測量定位；屋蓋吊裝為按先主梁后次梁順序，最后吊裝外圍環(huán)梁，吊裝順序見圖4。

2.3 吊裝分區(qū)

依據(jù)施工條件，主館次梁吊裝順序分為12個吊裝塊見圖5。其中將1，2吊裝塊合并為吊裝區(qū)域一CS1；4,5吊裝塊合并為吊裝區(qū)域二CS2；6,7吊裝塊合并為吊裝區(qū)域三CS3；8,9吊裝塊合并為吊裝區(qū)域四CS4；10,11吊裝塊合并為吊裝區(qū)域五CS5；3,12吊裝塊合并為吊裝區(qū)域六CS6。

3 施工模擬計算

3.1 施工過程分析理論基礎(chǔ)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中荷載為使用荷載，且結(jié)構(gòu)形式是固定的，但施工是從無到有隨工程進行不斷變化的過程。施工過程狀況不定，在結(jié)構(gòu)尚未形成整體剛度時，新安構(gòu)件會對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)協(xié)同工作性差，若此時只按設(shè)計成型后的分析結(jié)果指導(dǎo)施工，無法保證施工過程中的安全可靠[13-14]。采用Midas Gen對主館準(zhǔn)結(jié)構(gòu)及不同吊裝塊進行受力分析，獲得吊裝過程中構(gòu)件的應(yīng)力及位移變化。

3.2 主館吊裝過程分析

采用有限元軟件Midas Gen的施工階段分析模塊模擬施工過程。對第一層準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，恒載主要考慮結(jié)構(gòu)自重；活載考慮施工設(shè)備、施工人員等荷載，轉(zhuǎn)化為均布梁荷載形式施加；風(fēng)載轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載施加在準(zhǔn)結(jié)構(gòu)弱軸方向，柱底固接。對第二層準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，除恒載、活載及風(fēng)載外，另建立6個吊裝分區(qū)組及對應(yīng)的荷載組。每個施工階段的模擬通過定義任意時刻荷載的施加與解除、單元的產(chǎn)生與消失以及邊界條件的變化來實現(xiàn)。施工階段一分析時只激活對應(yīng)組一、荷載組一及邊界組；施工階段二分析時鈍化組一，激活組二，激活荷載組二，以此類推至最終施工階段CS6，且分析邊界組僅有一個即柱底固接，故僅在施工階段一的分析時將其激活。

對于屋蓋，采用高空散拼結(jié)合分條分塊吊裝法進行吊裝，其散拼法施工過程中對單根構(gòu)件如Y柱、屋蓋等吊裝塊的吊裝進行分析。吊索采用只受拉桁架單元，材料Strand1860鋼絞線D=38 mm，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa；吊裝塊采用梁單元，邊界條件為吊索一端固接，另一端將RX,Ry,Rz的3個轉(zhuǎn)動自由度進行約束。

4 有限元分析結(jié)果

4.1 主體鋼結(jié)構(gòu)施工過程

對主館結(jié)構(gòu)施工全過程進行數(shù)值模擬分析，并將不同吊裝段分析得到的結(jié)果進行對比，為實際施工提供數(shù)據(jù)參考[15-16]。對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的最大拉(壓)應(yīng)力及柱頂最大偏移分析結(jié)果見表5。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在柱底部，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在主梁與斜柱節(jié)點處，而最大偏移多出現(xiàn)在Y柱或斜柱柱頂。Y柱節(jié)點最大應(yīng)力為136.30 MPa，柱頂最大偏移為33.40 mm，當(dāng)Y柱發(fā)生偏移后，導(dǎo)致周邊外環(huán)梁、次梁出現(xiàn)偏移，需及時對柱進行校正。在一層吊裝過程中，從CS1至CS6準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的最大拉(壓)應(yīng)力總體呈正相關(guān)趨勢，最大拉應(yīng)力達57.71 MPa，最大壓應(yīng)力為49.10 MPa，二者相差14.9%?？梢娫诘跹b過程中拉壓應(yīng)力接近相等，遠小于材料屈服強度。

表5 吊裝分區(qū)最大偏移及應(yīng)力統(tǒng)計表

對于最大偏移，在負一層及一層CS2區(qū)為17.12 mm，在二層結(jié)構(gòu)吊裝過程中為20.95 mm，在屋蓋吊裝過程中為38.3 mm。在二層結(jié)構(gòu)及屋蓋吊裝過程中，發(fā)生在前四個吊裝分區(qū)中的柱頂最大偏移。柱頂最大側(cè)移隨吊裝樓層增加而增大，但均在層間位移限值范圍內(nèi)，滿足吊裝施工精度要求。

在CS6區(qū)域吊裝時，由于外環(huán)梁屬于懸臂梁，且受自重影響會產(chǎn)生附加彎矩進而對結(jié)構(gòu)造成不利荷載，使得柱頂最大側(cè)移略增大。在吊裝過程中二層結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為123.66 MPa，而屋蓋為79.36 MPa，相比前者降低了35.8%。說明在屋蓋吊裝時，主館整體框架受力體系已基本形成，在吊裝過程中拉壓應(yīng)力趨于平衡。在二層CS5區(qū)域吊裝時在Y柱節(jié)點處最大壓應(yīng)力-108.29 MPa，故應(yīng)設(shè)置臨時支撐及纜風(fēng)繩確保施工安全。

4.2 屋蓋分條分塊法吊裝分析

采用Midas Gen對屋蓋吊裝塊一、塊二進行數(shù)值分析，吊裝塊一、二分別采用六點吊裝和十二點吊裝，其應(yīng)力、變形及吊索內(nèi)力分析結(jié)果見圖6?？芍跹b塊一最大應(yīng)力為79.96 MPa，三角端部最大撓度為17.82 mm，吊索最大內(nèi)力121.6 kN；吊裝塊二最大應(yīng)力96.04 MPa，三角端部最大撓度為27.05 mm，吊索最大內(nèi)力為9.6 t。說明采用分條分塊法對屋蓋進行吊裝具有可行性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段應(yīng)重點驗算吊索的承載力。

5 結(jié)論

1)通過對整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析，可知結(jié)構(gòu)抗震性能良好。在吊裝全過程中，負一層至一層結(jié)構(gòu)在CS2區(qū)域主次梁吊裝時發(fā)生最大偏移為17.12 mm，二層及屋蓋最大偏移分別為20.95 mm,38.3 mm。在施工階段中準(zhǔn)結(jié)構(gòu)最大拉壓應(yīng)力接近相等，低于材料屈服強度，吊裝全過程中未超過層間位移限值，準(zhǔn)結(jié)構(gòu)在施工過程中處于安全狀態(tài)。

2)對Y柱節(jié)點、柱頂節(jié)點兩種復(fù)雜節(jié)點進行分析，得到在高空散拼法施工過程中節(jié)點處應(yīng)力較大，在柱頂及梁的懸臂端處最易產(chǎn)生最大位移，在實際施工過程中應(yīng)注意Y柱柱頂和鋼梁懸臂端處最易出現(xiàn)安裝誤差的累積。

3)在二層結(jié)構(gòu)吊裝過程中構(gòu)件最大拉應(yīng)力為123.66 MPa，相比于屋蓋吊裝增大了35.8%，準(zhǔn)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力增幅最大達60 MPa，柱頂最大偏移增幅最大達20 mm。二層結(jié)構(gòu)施工時準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)定性最差，是吊裝全過程中最危險的階段，應(yīng)加強安全保障措施，以確保施工安全。

4)柱底最大壓應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)吊裝層數(shù)增加而增大，其值約20 MPa，在一層準(zhǔn)結(jié)構(gòu)吊裝過程中，柱底最大壓應(yīng)力有明顯增大趨勢，而在二層及屋蓋吊裝過程中柱底最大壓應(yīng)力變化趨于平穩(wěn)。表明在施工過程中準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的受力體系隨施工過程約束條件逐步趨于完善，自穩(wěn)定性在逐步增強。