長安書院異形曲面鋼屋蓋施工過程模擬分析*

郭宏超，陳普政，王洪臣

(1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710018)

0 引言

建筑物成型過程中，結(jié)構(gòu)剛度、幾何形狀、所承擔(dān)荷載及支座約束條件隨施工步驟不斷變化，施工順序的不同會(huì)導(dǎo)致承受荷載結(jié)構(gòu)所處施工階段不同，不同應(yīng)力、應(yīng)變累計(jì)過程會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在施工各階段應(yīng)力、應(yīng)變均不同[1-2]。在我國，有較多工程結(jié)構(gòu)倒塌事故發(fā)生在施工期間[3], 如長沙市望城區(qū)自建房倒塌事故、“3.2”儲(chǔ)煤場棚化鋼網(wǎng)架倒塌事故和上海市長寧區(qū)1幢廠房“5.6”倒塌事故等，究其原因,相當(dāng)比例是由未對施工方案進(jìn)行計(jì)算和論證而冒險(xiǎn)作業(yè)造成。

許多學(xué)者對施工方案進(jìn)行過程模擬計(jì)算研究，秦廣圣等[4]對棗莊“石榴花”造型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工設(shè)計(jì)一體化建模，對其安裝和卸載順序進(jìn)行分析，確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度在合理范圍內(nèi)。張志偉等[5]對蘇州灣文化中心彎扭鋼飄帶不同卸載順序節(jié)點(diǎn)反力值進(jìn)行分析，得出由中間向兩端卸載方案中應(yīng)力變化幅值更小。王秀麗等[6]采用 MIDAS Gen有限元軟件對某大型體育館鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行施工全過程分析模擬，分析理論值與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好。李志強(qiáng)等[7]對拉斐爾云廊屋蓋結(jié)構(gòu)11號塔樓土建施工滯后鋁合金屋蓋問題提出了安裝和卸載臨時(shí)胎架不同順序的4種方案進(jìn)行論證，并對每個(gè)方案應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行對比。郭彥林等[8]以國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)工程為研究背景，提出一體化協(xié)同時(shí)變，從整體結(jié)構(gòu)施工力學(xué)出發(fā)解決施工過程中的應(yīng)力、應(yīng)變問題。朱軍等[9]在西安北站鋼屋蓋施工過程中采用了一體化模型，并對邊安裝邊落架施工方案進(jìn)行仿真分析，確保了施工過程中結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定。

目前，國內(nèi)外主要集中于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋施工過程研究，對鋼屋蓋整體結(jié)構(gòu)施工過程一體化模擬分析研究較少。參考國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)逆作法施工工藝[10-11]，對長安書院異形曲面鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，分析逐層法和逆作法不同施工方案的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變情況。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

長安書院項(xiàng)目位于西安市灞橋區(qū)浐灞生態(tài)區(qū)核心區(qū)域，東臨灞河，北側(cè)毗鄰上莊灞柳小區(qū)，與全運(yùn)會(huì)主會(huì)場西安奧體中心隔河相望，也是奧體中心門戶形象展示區(qū)的重要組成部分，效果如圖1所示。南北方向長約315 m，東西方向長約189m，建筑最高點(diǎn)為58m。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)布置分為4個(gè)區(qū)域，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋分區(qū)布置

屋蓋屬于雙層正交正放的曲面空間網(wǎng)架體系，整個(gè)曲面類似于球心向上的球面。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要由多種類型圓鋼管桿件組成，并與焊接而成的球形節(jié)點(diǎn)連接，四周采用懸挑結(jié)構(gòu)收尾，角部懸挑部分可達(dá)22m。下部結(jié)構(gòu)是由鋼管柱、鋼管混凝土柱、H型鋼梁、混凝土樓板組成的框架結(jié)構(gòu)。以面積最大的D區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋施工技術(shù)為例，對其施工工藝進(jìn)行闡述。

1.2 施工及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

長安書院結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)如下：①網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋覆蓋面積大；②結(jié)構(gòu)懸挑部分總長350m；③各類形式通高柱并存且數(shù)量多，空間布置復(fù)雜；④2層以上樓板開洞面積>50%，樓板不連續(xù)。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，最終選取了分塊吊裝、輔以臨時(shí)胎架的施工方案。這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給施工帶來了很多挑戰(zhàn)，導(dǎo)致臨時(shí)胎架布置不規(guī)則，布置難度系數(shù)較大。

2 計(jì)算模型與施工方案

2.1 模型建立

1)對施工方案進(jìn)行有限元模擬，分析施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變。鋼結(jié)構(gòu)框架梁、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)各桿件、框架柱和臨時(shí)胎架均設(shè)置為可受拉和受壓的梁單元，樓板設(shè)置為板單元，模型如圖3所示。

圖3 D區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋有限元模型

2)鋼管柱和H型鋼梁強(qiáng)度等級為Q355B，鋼管混凝土柱為Q390B鋼管內(nèi)填C60混凝土的組合材料，樓板混凝土等級為C35。

3)考慮結(jié)構(gòu)自重及網(wǎng)架拼接作用，乘以1.2倍的放大系數(shù)，設(shè)定為恒荷載。選取50年一遇的風(fēng)荷載基本值，折合到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，取網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力為0.75kN，胎架和支承柱部分節(jié)點(diǎn)力為1～1.3kN。

2.2 結(jié)構(gòu)施工方案

2.2.1逐層法施工

逐層法施工步驟為：施工第1層框架梁和框架柱→澆筑第1層樓板→施工第2層框架梁和框架柱→澆筑第2層樓板→施工第3層框架梁和框架柱→澆筑第3層樓板→施工第3層至網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋之間框架柱→澆筑鋼管混凝土柱內(nèi)混凝土→在已完成的框架梁和框架柱上搭設(shè)臨時(shí)胎架→吊裝和拼接網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋(網(wǎng)架結(jié)構(gòu)從北向南依次進(jìn)行吊裝和拼接)→分6步從北到南逐批拆除臨時(shí)胎架→角部及四周懸挑網(wǎng)架結(jié)構(gòu)就位。D區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分區(qū)布置如圖4所示。

圖4 D區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分區(qū)布置

2.2.2逆作法施工

逆作法施工步驟為：對鋼柱分節(jié)吊裝和安裝→澆筑鋼柱內(nèi)混凝土→在地面搭設(shè)臨時(shí)胎架→分塊吊裝和拼接網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋，吊裝和拼接順序與逐層法相同→分6步從北到南逐批拆除臨時(shí)胎架→角部及四周懸挑網(wǎng)架結(jié)構(gòu)就位→1層框架主、次梁和框架柱安裝→1層混凝土樓板澆筑→2層框架主、次梁和框架柱安裝→2層混凝土樓板澆筑→3層框架主、次梁和框架柱安裝→3層混凝土樓板澆筑。

3 模擬分析

3.1 臨時(shí)胎架頂部位移與軸力分析

對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化建模，臨時(shí)胎架共54榀，通過“激活”和“鈍化”[12]臨時(shí)胎架單元模擬其建立和拆除。臨時(shí)胎架頂部最大側(cè)向位移和最大軸力變化及其分布情況分別如圖5，6所示(u(x1)為臨時(shí)胎架頂部最大側(cè)向位移，n(x1)為臨時(shí)胎架數(shù)量，f(n1)為臨時(shí)胎架頂部受到的最大軸力)。

圖5 臨時(shí)胎架頂部最大側(cè)向位移變化及分布情況

由圖5可知，逐層法方案中臨時(shí)胎架側(cè)向位移在施工的每個(gè)階段均大于逆作法方案，其中頂部最大側(cè)向位移為11.30mm，滿足規(guī)范要求。之所以臨時(shí)胎架側(cè)向位移偏差較大，是因?yàn)樵摬糠痔ゼ艿撞抗潭ㄓ诳蚣芰嚎缰形恢?，框架梁受到臨時(shí)胎架集中作用力、周圍結(jié)構(gòu)及自身重力作用發(fā)生微弱變形，由于臨時(shí)胎架高度較高，導(dǎo)致胎架頂部發(fā)生明顯變形，而采用逆作法時(shí)，臨時(shí)胎架固定于地面，所以頂部發(fā)生較小側(cè)向位移。由圖6可知，兩種方案中臨時(shí)胎架頂部軸力變化趨勢相同，說明兩種方案對臨時(shí)胎架頂部軸力影響不大。

圖6 臨時(shí)胎架頂部最大軸力變化及分布情況

3.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋撓度與應(yīng)力分析

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋吊裝和拼接分為26個(gè)工序(工序CS1～CS26)，臨時(shí)胎架分為6步進(jìn)行卸載(施工階段CS27～CS32)，CS33為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)角部懸挑部分就位階段。最大撓度和最大應(yīng)力變化曲線如圖7所示(u(x2)為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件最大撓度，σ(x)為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力)。

圖7 施工過程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋最大撓度和最大應(yīng)力變化曲線

由圖7a可知，兩種方案在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程中的最大撓度均不同，其中逐層法方案中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝過程中最大撓度大于逆作法方案20.14%，主要由于固定在框架梁跨中的臨時(shí)胎架產(chǎn)生了較大頂部位移。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大撓度和最大應(yīng)力均發(fā)生在卸載階段，其中逐層法方案中最大撓度為20.01mm，撓跨比為L/450，小于GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的撓跨比L/250。逐層法方案中角部懸挑部分就位時(shí)產(chǎn)生的最大撓度值為38.09mm，超過逆作法方案最大撓度8.39%，撓跨比為L1/315，小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的撓跨比L1/250。由圖7b可知，逐層法方案中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力和負(fù)應(yīng)力變化趨勢與逆作法方案基本一致，最大應(yīng)力絕對值為88.70MPa，與相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行對比，滿足規(guī)范要求。

3.3 框架柱柱頂位移及軸力分析

根據(jù)柱組成材料、截面類型、長度和所受荷載，選取12根柱作為代表柱，分析不同施工方案在各施工階段對柱頂側(cè)向位移的影響。施工過程中柱頂最大側(cè)向位移u(x3)如圖8所示。

圖8 施工過程中各柱柱頂最大側(cè)向位移

由圖8可知，逐層法方案中框架柱柱頂產(chǎn)生的側(cè)向位移均大于逆作法方案，且柱頂位移隨施工過程中的變化曲線更為劇烈，數(shù)據(jù)離散性較大，說明逐層法施工方案對框架柱柱頂位移影響較大。其中鋼管柱最大位移發(fā)生在逐層法方案中的Z54，為2.769mm，小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中限值19 000/250=76mm，滿足規(guī)范要求，與逆作法施工方案中Z54最大柱頂位移相比，超過了209.73%。最大鋼管混凝土柱側(cè)向位移發(fā)生在逐層法方案中的Z36,為4.034mm，小于GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中限值13 800/300=46mm，超過逆作法方案中Z36柱頂側(cè)向位移724.87%。

框架柱柱頂最大軸力對比如圖9所示。由圖9可知，采用不同施工方案，施工過程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋對框架柱軸力影響不大，與相應(yīng)規(guī)范計(jì)算得到的軸力進(jìn)行對比，框架柱均滿足承載力要求。

圖9 框架柱柱頂最大軸力對比

3.4 框架梁應(yīng)力、應(yīng)變及樓板應(yīng)力分析

逐層法方案中框架梁最大撓度及最大應(yīng)力發(fā)生在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋拼裝完成后、臨時(shí)胎架拆除前。逆作法方案中框架梁最大撓度及最大應(yīng)力發(fā)生在最后施工階段。對其相應(yīng)階段梁最大撓度、最大應(yīng)力及樓板應(yīng)力進(jìn)行分析。

由圖10，11可知，逐層法和逆作法方案中框架梁最大撓度發(fā)生在3層樓板洞口處。

圖10 逐層法方案中框架梁撓度與應(yīng)力云圖

圖11 逆作法方案中框架梁撓度與應(yīng)力云圖

由表1可知，逐層法方案中框架梁最大撓度為15.49mm，對應(yīng)結(jié)構(gòu)撓跨比L3/456，小于規(guī)范限制L3/400。逐層法方案中最大壓應(yīng)力相比逆作法增大18.49%，最大拉應(yīng)力相比逆作法減小5.0%，與規(guī)范限值進(jìn)行對比，均小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值355MPa。

表1 各施工方案中框架梁撓度及應(yīng)力對比

逐層法和逆作法方案中樓板應(yīng)力分布分別如圖12，13所示。通過對比可知，逐層法方案中樓板最大壓應(yīng)力為6.42MPa，大于逆作法方案中樓板最大壓應(yīng)力4.82MPa，增加33.20%。最大壓應(yīng)力與規(guī)范限值進(jìn)行比較，均小于樓板混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值35.1MPa。

圖12 逐層法方案中樓板應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖13 逆作法方案中樓板應(yīng)力云圖(單位：MPa)

4 結(jié)語

1)采用逐層法和逆作法2種施工方案，在不同施工階段，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋、框架梁、樓板和臨時(shí)胎架應(yīng)力、應(yīng)變最大值均能滿足規(guī)范要求。

2)對逐層法和逆作法2種施工方案中框架柱和臨時(shí)胎架頂部位移和軸力進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)逐層法施工過程中框架柱和臨時(shí)胎架產(chǎn)生的最大柱頂側(cè)向位移均大于逆作法施工方案，柱頂產(chǎn)生的最大軸力與逆作法施工方案差距不大。

3)通過對2種方案網(wǎng)架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，逐層法方案中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋在整個(gè)施工過程中最大撓度大于逆作法，主要原因是作用在框架梁跨中的臨時(shí)胎架頂部產(chǎn)生了較大側(cè)向位移。施工時(shí)應(yīng)在臨時(shí)胎架上設(shè)置一定數(shù)量纜風(fēng)繩，從而有效約束其側(cè)移。

4)由于臨時(shí)胎架建立在框架梁跨中，逐層法方案中框架梁產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力相比逆作法增大18.49%，樓板產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力相比逆作法增加33.20%，但最大拉應(yīng)力相比逆作法減小5.0%。通過2種方案對比可知，逆作法施工方案結(jié)構(gòu)受力性能更好。