黃貴虎（中鐵航空港建設(shè)集團(tuán)北京有限公司，北京 100071）

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淺談大型復(fù)雜型鋼柱施工偏差力學(xué)分析及處理方法

黃貴虎（中鐵航空港建設(shè)集團(tuán)北京有限公司，北京 100071）

力學(xué)分析是施工力學(xué)的重要分支，也是施工過程的重要環(huán)節(jié)。施工力學(xué)將力學(xué)理論和土木工程相結(jié)合，現(xiàn)已成為新的交叉型學(xué)科，將工程結(jié)構(gòu)的就和參數(shù)、物理參數(shù)和邊界參數(shù)等作為重要的研究對象。針對大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工而言，設(shè)計、施工人員必須對實際結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行正確的分析，同時也需要對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和結(jié)構(gòu)形變進(jìn)行預(yù)測控制，保證鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性。本文結(jié)合實際工程案例，針對鋼結(jié)構(gòu)偏差問題進(jìn)行了力學(xué)分析，提出了連接部位的構(gòu)造措施和力學(xué)偏差的處理方法，為施工力學(xué)提供有力的依據(jù)。

大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)；偏差問題；處理方法

工程結(jié)構(gòu)在建造過程中必須遵循一定的規(guī)則控制幾何形態(tài)、剛度和荷載的變化。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計只對不同載荷工況下的組合模型進(jìn)行分析，但是在施工過程中實際結(jié)構(gòu)的自重恒載荷逐漸明顯，不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)力逐漸疊加，必須充分考慮施工過程對結(jié)構(gòu)的影響，避免大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，降低風(fēng)險系數(shù)。鋼結(jié)構(gòu)重量輕、工業(yè)化程度較高、抗震性較強(qiáng)，在建筑工程中獲得了廣泛應(yīng)用，但是鋼結(jié)構(gòu)在安裝過程中對幾何偏差的敏感性較強(qiáng)，在實際安裝過程中必須嚴(yán)格控制偏差問題。

1　工程概況

XXX大廈為集甲級寫字樓、商業(yè)、片區(qū)交通樞紐為一體的超高層綜合建筑，地下6層，地上55層，采用框架核心筒結(jié)構(gòu)，大廈總高度為249.1m。塔樓地面以上部分框架柱采用型鋼混凝土柱。

由于地下室伸出地面部分的塔樓十字鋼骨柱軸線偏差、扭曲較大。經(jīng)地下部分施工單位、地上施工單位、地上鋼結(jié)構(gòu)部分專業(yè)分包單位三方共同復(fù)測，中心最大偏差達(dá)146mm，十字形柱翼緣處部分最大偏差達(dá)195mm，鑒于此情況導(dǎo)致一層柱與負(fù)一層柱無法直接對接，為此施工單位提出了在首層采用局部節(jié)點構(gòu)造處理的柱糾偏方案。

2　鋼結(jié)構(gòu)偏差力學(xué)分析

2.1模型介紹

采用殼單元shell43模擬鋼板，型鋼鋼板厚度按施工單位提供的厚度為44mm。下柱取1m高，上柱按實際層高取，過渡板及加勁板厚度見構(gòu)造說明。型鋼柱下端固定，頂端作用均布線荷載，線荷載的大小取鋼板達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計值265MPa時的荷載值，圖1是整體有限元模型。

圖1　整體有限元模型

2.2計算結(jié)果

以下所有鋼板應(yīng)力均為VonMises應(yīng)力。

2.2.1下柱應(yīng)力

整體應(yīng)力趨勢為東側(cè)應(yīng)力較大，西側(cè)應(yīng)力較小。最大應(yīng)力點在東南側(cè)翼緣處，該位置位于加勁肋端部，由于在上柱作用下加勁肋受彎，使下柱翼緣面外受力，因而該部位應(yīng)力較大。在加勁肋范圍內(nèi)，東南側(cè)應(yīng)力較大，整體來說應(yīng)力分布比較均勻。除了在加勁肋范圍內(nèi)的柱東南側(cè)應(yīng)力較大，出現(xiàn)個別應(yīng)力集中點之外，其余部位應(yīng)力分布較均勻。

2.2.2上柱應(yīng)力

應(yīng)力最大值點位于腹板加勁肋的上端、東西側(cè)翼緣北部、加勁肋的上端。

在加勁肋范圍內(nèi)，應(yīng)力分布比較均勻。加勁肋的應(yīng)力分布也比較均勻。由計算結(jié)果可以看出，除了加勁肋端部引起的應(yīng)力集中外，其余應(yīng)力比較均勻，且也比較小，可以滿足要求。

2.2.3連接板應(yīng)力

連接板的應(yīng)力結(jié)果見圖2。

圖2　連接板應(yīng)力分析結(jié)果

整體上看東側(cè)、西南側(cè)應(yīng)力較大，除了在上柱的水平加勁肋處應(yīng)力集中點外，其余部位應(yīng)力均滿足要求。

從以上分析結(jié)果看，按純型鋼模型分析，在構(gòu)件頂部均布荷載作用下，除了局部點應(yīng)力集中外，大部分區(qū)域的應(yīng)力分布均勻，說明這種連接構(gòu)造方案可以很好地將上部型鋼的力傳遞至下部型鋼上［1］。

3　型鋼混凝土節(jié)點復(fù)核結(jié)果

3.1模型介紹

混凝土采用實體單元solid65單元模擬，型鋼采用殼單元shell43模擬。型鋼布置、厚度及柱高等同純鋼節(jié)點模型。型鋼柱下端固定，頂端作用均布面荷載27.8MPa（相當(dāng)于柱軸壓比為0.65），圖3為整體有限元模型。

圖3　型鋼混凝土整體有限元模型

3.2計算結(jié)果

3.2.1混凝土柱壓應(yīng)力結(jié)果

混凝土柱在頂部向下作用27.8MPa的壓力下，由于型鋼與混凝土的應(yīng)變協(xié)調(diào)，不同標(biāo)高的應(yīng)力分布情況略有不同，柱頂及柱底角部應(yīng)力達(dá)30MPa，中間型鋼區(qū)應(yīng)力17MPa。在頂部壓應(yīng)力作用下，混凝土部分應(yīng)力分布是合理的。

3.2.2上柱應(yīng)力結(jié)果

上柱及加勁肋應(yīng)力較小，說明混凝土承擔(dān)了部分壓力，最大應(yīng)力點在加勁肋處。上柱應(yīng)力比下柱應(yīng)力小，說明由于偏心的影響，在均布荷載作用下，下柱的應(yīng)力出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。

3.2.3連接板應(yīng)力結(jié)果

連接板應(yīng)力分布相對與純鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點更加均勻。連接板應(yīng)力較小，可以滿足要求。按實際的型鋼混凝土模型分析，在構(gòu)件頂部均布荷載作用下，型鋼與混凝土共同受力變形，型鋼的應(yīng)力集中程度明顯減小。上下型鋼、過渡板以及加勁板等的應(yīng)力分布均勻。但由于下部型鋼偏位，在上部均勻載荷作用下，下部型鋼有一定的偏心，其應(yīng)力分布不均勻。

3.3中、大震下框架柱底部抗彎承載力復(fù)核

根據(jù)型鋼實際偏位及柱縱向鋼筋布置情況，對型鋼柱中、大震下的正截面承載力進(jìn)行分析，確保柱滿足抗震性能目標(biāo)要求，求出框架柱在中、大震作用下的彈性和不屈服驗算結(jié)果后。計算結(jié)果表明，下部型鋼偏位后柱底截面的抗彎承載力滿足要求［2］。

現(xiàn)有上下型鋼偏位連接部位的構(gòu)造處理方案可行。在加勁肋范圍內(nèi)，上柱、下柱、連接板、加勁肋應(yīng)力比較均勻，可以實現(xiàn)上下柱力的傳遞的。純鋼節(jié)點分析結(jié)果表明，加勁肋范圍外除了東南側(cè)下柱翼緣加勁肋端部應(yīng)力集中，其余位置柱型鋼應(yīng)力分布均勻。型鋼混凝土柱分析結(jié)果表明，柱內(nèi)型鋼應(yīng)力較小，柱內(nèi)混凝土使型鋼應(yīng)力更加均勻。下柱的應(yīng)力明顯大于上柱，說明偏心對下柱影響較大。計算結(jié)果表明，下部型鋼偏位后柱底截面滿足抗彎承載力中震彈性、大震不屈服的性能目標(biāo)要求。

4　鋼結(jié)構(gòu)偏差處理方法

4.1模型應(yīng)用

選取現(xiàn)場型鋼偏位最大的Z4進(jìn)行復(fù)核分析。采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，分析復(fù)核時考慮以下幾個方面的工作。

4.1.1純型鋼節(jié)點

僅考慮上下偏位型鋼，不考慮混凝土，通過調(diào)整過渡板厚度及加勁肋的位置，分析上柱、下柱、連接板及加勁肋等的應(yīng)力分布情況，選取合理的節(jié)點構(gòu)造處理方案。

4.1.2型鋼混凝土節(jié)點

根據(jù)確定的節(jié)點構(gòu)造方案，考慮上下偏位型鋼，同時考慮外圍混凝土作用，分析柱內(nèi)上下型鋼的應(yīng)力分布情況。

4.1.3柱承載力復(fù)核

根據(jù)型鋼實際偏位情況，對型鋼柱在中、大震下的正截面承載力進(jìn)行分析，確保柱滿足中震下抗彎彈性，大震下抗彎不屈服的性能目標(biāo)要求。由于上下型鋼的截面一致，且由于偏位后整個混凝土柱截面面積較原設(shè)計截面大，框架柱的抗剪承載力并未降低，因此不再對柱的抗剪承載力進(jìn)行復(fù)核。

4.2連接部位的構(gòu)造措施

根據(jù)現(xiàn)場型鋼的偏位情況，進(jìn)行型鋼位置糾偏時的構(gòu)造做法應(yīng)考慮以下三個方面：①上下型鋼連接部位應(yīng)確保傳力可靠；②應(yīng)考慮上下型鋼偏心對框架柱承載力的影響；③應(yīng)注意下部型鋼外圍的混凝土及鋼筋的構(gòu)造應(yīng)滿足要求［3］。因此在節(jié)點處理過程中應(yīng)重點做好以下工作：①在上下偏位型鋼的外圍包絡(luò)尺寸（矩形截面）外，各邊加大50～100mm，型鋼外混凝土保護(hù)層宜滿足規(guī)范要求；②上下偏位型鋼在連接部位采取過渡板的方式進(jìn)行傳力，考慮到上下偏位較多，在上下型鋼的合理位置設(shè)置加勁板，過渡板厚度及加勁板的位置尺寸等應(yīng)確保連接部位的剛度，以便上下型鋼可靠傳力；③過渡板與上下型鋼間及加勁板與型鋼、過渡板間的焊縫應(yīng)可靠連接；④與上下型鋼柱對應(yīng)的縱向鋼筋在連接部位應(yīng)可靠連接。

根據(jù)分析結(jié)果，上下偏位型鋼的連接構(gòu)造做法見圖4。

圖4　上下偏位型鋼的連接方法

大型鋼結(jié)構(gòu)和超高層結(jié)構(gòu)不斷增多的同時，力學(xué)問題也逐漸突出，傳統(tǒng)的施工技術(shù)已不能解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的偏差問題。近年來有許多創(chuàng)新性技術(shù)獲得應(yīng)用，例如整體提升施工技術(shù)、整體滑移施工技術(shù)等。在創(chuàng)新施工方案的同時，將新型大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)形式相結(jié)合，以結(jié)構(gòu)特點和受力特點為依據(jù)，不斷優(yōu)化施工方案。力學(xué)問題的解決更加依賴于計算機(jī)分析，可以在施工過程中進(jìn)行科學(xué)精確的仿真，了解整體結(jié)構(gòu)在施工過程中的形變和內(nèi)力變化。

5　結(jié)束語

針對大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)而言，工程竣工后必須滿足形變不超限、內(nèi)力變化在規(guī)定范圍內(nèi)的要求。設(shè)計人員需要重點分析結(jié)構(gòu)成型過程，應(yīng)用科學(xué)的分析方法，結(jié)合結(jié)構(gòu)的受力要求提出相應(yīng)的評價，對結(jié)構(gòu)內(nèi)里和形變進(jìn)行深入研究，保證竣工后的整體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。本文對大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工中表現(xiàn)出的力學(xué)偏差問題進(jìn)行了探討，通過有限元分析將結(jié)構(gòu)的受力特點展示出來，對結(jié)構(gòu)偏差問題的解決提出了針對性措施，可以為類似鋼結(jié)構(gòu)工程提供借鑒依據(jù)。

［1］崔曉強(qiáng).大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程的結(jié)構(gòu)分析方法研究［J］.工程力學(xué)，2014，23（5）：83.

［2］廖芳芳.往復(fù)荷載下鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的超低周疲勞斷裂預(yù)測［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，42（4）：53.

［3］曾志斌，周華.國家體育場大跨度鋼結(jié)構(gòu)在卸載過程中的應(yīng)力監(jiān)測［J］.土木工程學(xué)報，2014，41（3）：114.

黃貴虎（1985-），男，中級工程師，本科，主要從事技術(shù)管理工作。

TU391

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2095-2066（2016）09-0169-02

2016-3-8