摘 要：簡(jiǎn)要介紹了施工過(guò)程中復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工方法以及仿真分析的必要性，同時(shí)通過(guò)對(duì)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工的力學(xué)分析來(lái)著重對(duì)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工方案、大跨度桁架整體提升過(guò)程中的強(qiáng)度、同步性和穩(wěn)定性、桁架整體提升對(duì)巨型主框架受力及變形的影響等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究；系統(tǒng)研究了施工過(guò)程控制系統(tǒng)與控制方法，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入施工控制系統(tǒng)，完善了施工過(guò)程控制理論。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)；施工過(guò)程；施工力學(xué)；整體提升；穩(wěn)定性；仿真分析；過(guò)程控

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3198（2014）11-0197-02

1 引言

本文研究的背景工程上海港國(guó)際客運(yùn)中心SB11鋼結(jié)構(gòu)工程為巨型鋼框架結(jié)構(gòu)，柱間帶有斜撐，主框架上懸掛有球形鋼結(jié)構(gòu)吊艙，建筑新穎獨(dú)特，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)巨大困難。在吊裝過(guò)程中需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：（1）吊點(diǎn)的數(shù)量和分布；（2）吊裝過(guò)程中桁架的穩(wěn)定性；（3）吊裝過(guò)程中各吊點(diǎn)的同步性。

此結(jié)構(gòu)的總體施工過(guò)程有多個(gè)階段，分別是吊艙結(jié)構(gòu)安裝、巨型框架和吊艙結(jié)構(gòu)連接固定以及巨型框架安裝階段。本文運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)基于三維有限單元法建立結(jié)構(gòu)仿真分析模型對(duì)屋面大跨度鋼桁架整體提升過(guò)程中的強(qiáng)度、同步性和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 工程簡(jiǎn)介

上海港國(guó)際客運(yùn)中心工程場(chǎng)地處于東大名路610號(hào)，位于虹口區(qū)高陽(yáng)港區(qū)內(nèi)，南為黃浦路，北臨東大名路，西臨溧陽(yáng)路，東臨高陽(yáng)路，規(guī)劃占地面積是13.6萬(wàn)平米。有一棟SB11溫室座落于B3辦公樓以及南面B2辦公樓當(dāng)中。SB11溫室鋼結(jié)構(gòu)建筑總高（不包括屋頂上方的突出部分）42.2米，樓梯以及電梯分別位于SB11的東西兩側(cè)，觀光電梯設(shè)在中間的斜樓梯處。溫室的餐廳和廚房分別位于層頂和頂層，溫室的會(huì)議室、咖啡吧以及茶室等功能都被設(shè)置在下面三個(gè)吊艙。屋面大跨度桁架結(jié)構(gòu)，三個(gè)鋼框架核芯筒和三個(gè)吊艙結(jié)構(gòu)形成了整個(gè)結(jié)構(gòu)。該建筑總占地面積為5700平方米，鋼結(jié)構(gòu)的總噸位為2500噸。建筑物南北方向跨度是30.4米，東西方向跨度為48.4米，建筑總高度53.6米。三個(gè)不規(guī)則的球形吊艙懸掛在寫字臺(tái)式的巨型鋼框架結(jié)構(gòu)下，其結(jié)構(gòu)形式非常新穎且奇特。屋面桁架腹部下通過(guò)高強(qiáng)懸索懸掛著三個(gè)吊艙結(jié)構(gòu)，并利用鋼框架和人行天橋連接。鋼結(jié)構(gòu)溫室SB11包含結(jié)構(gòu)形式新穎獨(dú)特的柔性懸掛結(jié)構(gòu)、傾斜鋼框架結(jié)構(gòu)、巨型鋼框架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式，建成后將成為又一個(gè)漂亮的黃浦江景觀。

3 施工方案

由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件受到較多限制，場(chǎng)地狹小，屋面桁架由于地下室頂板無(wú)法承受重型施工機(jī)械，且高空散裝法費(fèi)工費(fèi)時(shí)，施工措施費(fèi)以及人工費(fèi)都提高了工程造價(jià)，所以只有通過(guò)整體來(lái)完善施工的工藝。通過(guò)就地組裝大跨度桁架，單榀整體提升的措施來(lái)安裝主桁架，從而達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范預(yù)起拱的要求。即采用計(jì)算機(jī)控制液壓來(lái)同時(shí)提高技術(shù)，單榀整體提升主桁架。提升順序?yàn)椋ò磋旒芩谳S線編號(hào)）：G→E→C→A→D，提升高度約為35.55米，結(jié)構(gòu)平面如圖1所示，提升裝置如圖2所示。

鋼桁架安裝采用整體提升方法進(jìn)行，運(yùn)輸和吊裝機(jī)械性能決定了其安裝分段，桁架主要分為上弦3至5段，下弦3至5段以及上下弦中若干斜腹桿。其中最長(zhǎng)的桿件是12m，重為13噸。主桁架單榀重量從南至北依次是79噸、73噸、80噸、30噸、28噸、85噸。由于通過(guò)整體提升策略安裝桁架，因此必須在現(xiàn)場(chǎng)將鋼結(jié)構(gòu)散件組拼成整體。我們根據(jù)觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，采取先原位拼裝，然后整體提升的措施。立拼法在整個(gè)桁架的應(yīng)用，有著避免桁架整體起扳引起的結(jié)構(gòu)扭曲變形的優(yōu)點(diǎn)，這一優(yōu)勢(shì)可以促使結(jié)構(gòu)的整體變形得到控制。

4 施工過(guò)程仿真分析方法的選擇

施工過(guò)程是一個(gè)隨著時(shí)間的推移，結(jié)構(gòu)的邊界、荷載、剛度條件等一直變化的過(guò)程，即施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)體系是一個(gè)時(shí)變體系。我國(guó)著名學(xué)者哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王光遠(yuǎn)院士以前建議把時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)分為三個(gè)大得研究領(lǐng)域：超慢速、慢速和快速時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)，其中施工力學(xué)研究問(wèn)題最適合應(yīng)用慢速時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)，可通過(guò)利用離散性時(shí)間凍結(jié)的近似處理，把它作為一序列時(shí)不變結(jié)構(gòu)對(duì)象來(lái)進(jìn)行動(dòng)力或靜力分析。施工過(guò)程仿真是施工力學(xué)研究問(wèn)題的一個(gè)分類。施工力學(xué)問(wèn)題現(xiàn)在主要有時(shí)變單元法、有限單元法以及拓?fù)渥兓ǖ确治龇椒?。時(shí)變單元法是隨著單元大小的變動(dòng)達(dá)到求解卻與的變動(dòng)，雖然然離散網(wǎng)格保持不變，但又?jǐn)?shù)值積分穩(wěn)定性的問(wèn)題。拓?fù)渥兓ㄍㄟ^(guò)應(yīng)用拓?fù)湓硪约皵?shù)值手段達(dá)到求解區(qū)域根據(jù)時(shí)間的變化，但不要要求時(shí)變次數(shù)過(guò)多，否則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率較低。而且這兩種辦法必須要重新編程。一般單元法不需要重新編程，是一種方便快捷，通過(guò)單元的增減來(lái)實(shí)現(xiàn)求解區(qū)域的變動(dòng)，且結(jié)果符合相應(yīng)的工程需要。所以本文的仿真分析采用一般有限單元法。

5 計(jì)算假定與仿真分析模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件特點(diǎn)，建模分析應(yīng)用大型有限元軟件MIDAS，桿件運(yùn)用Bernoulli-Euler梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，單位應(yīng)用SI國(guó)際單位制（N，m）。鋼材根據(jù)設(shè)計(jì)資料采用Q345B，泊松比是0.3，密度為7850kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，模型中的單軸屈服強(qiáng)度根據(jù)現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，同時(shí)應(yīng)用Mises屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。提升階段的荷載分為風(fēng)荷載、構(gòu)件自重以及施工荷載。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)提升是一個(gè)承受動(dòng)荷載的過(guò)程，所以動(dòng)力系數(shù)取1.4。根據(jù)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件和工程經(jīng)驗(yàn)，重力加速度為9.8m/s2，施工荷載沿桁架長(zhǎng)取1960N/m，迎風(fēng)面桿件上的風(fēng)荷載可以采用結(jié)構(gòu)頂部標(biāo)高計(jì)算風(fēng)壓高度變化系數(shù)以及風(fēng)振系數(shù)，從而得到為724N/m。仿真分析模型中，地下室頂板與主體鋼框架根據(jù)固結(jié)考慮。除了臨時(shí)拉桿端點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)都根據(jù)剛節(jié)點(diǎn)來(lái)考慮。

計(jì)算過(guò)程時(shí)，表示結(jié)構(gòu)未安裝部分的單元?jiǎng)偠染仃嚦艘?0-7的系數(shù)以模擬將這部分單元未安裝的狀態(tài)，待其就位后再采用根據(jù)材料屬性和截面幾何尺寸定義的真實(shí)值以模擬安裝了這部分單元。

6 整體提升過(guò)程中桁架同步性分析

為了防止由于提升吊點(diǎn)行程不同步，復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)在提升過(guò)程中的桁架強(qiáng)度和穩(wěn)定性受到影響，一定要同步性分析提升吊點(diǎn)。各提升點(diǎn)位移差在提升施工過(guò)程中的出現(xiàn)，將會(huì)改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，所以要對(duì)不同的吊點(diǎn)位移差工況下變形情況以及結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)的控制限值，來(lái)保證提升階段桁架的可靠性和施工的安全性。

在過(guò)去的15年中，大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的材料消費(fèi)占總造價(jià)的比例由41%降至26%，而其安裝的費(fèi)用所占的比例則已由19%上升到27%。如果可以采用一定的方法確定結(jié)構(gòu)在整體提升施工過(guò)過(guò)程中的各提升吊點(diǎn)的不同步性位移差限值，那么對(duì)于受不同步性影響較小的結(jié)構(gòu)，施工單位可以適當(dāng)放寬施工控制要求，從而能夠在加快施工進(jìn)度的同時(shí)避免由于過(guò)度考慮不同步的影響而帶來(lái)的時(shí)間和金錢的浪費(fèi)。而對(duì)于受不同步影響較大的結(jié)構(gòu)則應(yīng)采取較為高級(jí)的同步性控制方法以確保工程結(jié)構(gòu)施工的安全。因此，有必要對(duì)工程結(jié)構(gòu)在不同提升吊點(diǎn)位移差下的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行研究，找出合理吊點(diǎn)位移差限值，在保證安全的前提下，減少不必要的施工措施費(fèi)，縮短工期，合理的降低工程造價(jià)。

7 結(jié)論

本文論述了大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)整體提升施工中，影響穩(wěn)定性的因素，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析力學(xué)理論，對(duì)鋼桁架的整體提升進(jìn)行了特征值屈曲的分析，從而提供了可靠的參數(shù)依據(jù)，保證了結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的安全性；說(shuō)明了對(duì)結(jié)構(gòu)整體提升的施工過(guò)程進(jìn)行同步性分析的意義，提出了基于力學(xué)參數(shù)控制的同步性分析方法。具體做了以下幾個(gè)方面的工作：

（1）大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)屋面桁架長(zhǎng)度較大，屬于大跨度結(jié)構(gòu)，由于長(zhǎng)細(xì)較大，會(huì)導(dǎo)致整體提升階段中發(fā)生平面外屈曲失穩(wěn)，本文通過(guò)施工過(guò)程仿真技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)桁架提升過(guò)程進(jìn)行了特征值屈曲分析，提供了定量的參數(shù)依據(jù)，保障了現(xiàn)場(chǎng)施工的穩(wěn)定性控制。

（2）在提升過(guò)程中，兩個(gè)吊點(diǎn)的提升與鋼桁架的受力狀態(tài)不同步相關(guān)，從結(jié)構(gòu)受力方面看，根據(jù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)并提出了提升吊點(diǎn)同步性計(jì)算的迭代算法，通過(guò)仿真計(jì)算分析吊點(diǎn)不同位移差下的結(jié)構(gòu)受力，吊點(diǎn)不同步性位移差的限值采用構(gòu)件最大應(yīng)力接近施工控制應(yīng)力時(shí)的位移差，從而保證復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性，而且，施工控制參數(shù)采用吊點(diǎn)位移差不僅節(jié)約成本，不用借用高設(shè)備緊密儀器設(shè)備，還利于施工人員的現(xiàn)場(chǎng)操作。

（3）在結(jié)構(gòu)整體提升階段中，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各提升點(diǎn)行程差，保證相對(duì)位移差警戒限值大于吊點(diǎn)相對(duì)位移差。

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