楊 偉

(1.福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025； 2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350025)

0 引言

施工過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生由于結(jié)構(gòu)不完整導(dǎo)致不堪施工荷載的情形，特別是如何保證結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中體系平穩(wěn)有序、安全地轉(zhuǎn)換是施工控制的關(guān)鍵。因此，有必要應(yīng)用施工過(guò)程力學(xué)分析對(duì)整個(gè)施工工況的應(yīng)力及變形進(jìn)行計(jì)算，從而制定合理安全的施工方案，確保結(jié)構(gòu)施工的安全性[1-5]。

本文結(jié)合中國(guó)VR大廈懸挑鋼平臺(tái)的施工，利用MIDAS/GEN 軟件對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[6-7]，以期為施工安全提供技術(shù)參考和依據(jù)。

1 工程概況

該工程為商業(yè)辦公樓，總建筑面積29 683m2。地上20層，均為商業(yè)辦公樓，地下設(shè)1層地下室，建筑功能為停車(chē)及相關(guān)設(shè)備配套用房，地下室為全埋式，埋深約6.0m，效果圖如圖1所示。結(jié)構(gòu)高度為100.5m，為鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)。柱腳為埋入式柱腳，埋入承臺(tái)2m，并通過(guò)錨桿與混凝土結(jié)構(gòu)錨固，核心筒主要由十字鋼骨柱和剪力墻鋼骨梁構(gòu)成，鋼骨柱與鋼骨梁、外框架鋼梁通過(guò)牛腿相連接。外框架結(jié)構(gòu)主要有鋼管柱、型鋼梁、鋼斜撐和桁架組成大樓。

圖1 中國(guó)VR中心大廈效果圖

兩側(cè)鋼骨柱由標(biāo)高±0.000m至標(biāo)高+32.830m向內(nèi)傾斜，由標(biāo)高+46.330m至屋面向外傾斜。除兩側(cè)傾斜鋼柱外，其余鋼管柱由底至頂在管內(nèi)灌注混凝土，兩側(cè)傾斜鋼柱僅澆筑至11層(標(biāo)高+50.830m)。5～6層間還設(shè)有懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)，由H型鋼焊接而成，其所在懸挑框架結(jié)構(gòu)，鋼梁最大懸挑長(zhǎng)度約為11.65m。中國(guó)VR中心大廈結(jié)構(gòu)布置情況如圖2所示。

本文主要針對(duì)懸挑鋼桁架平臺(tái)的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。

圖2 中國(guó)VR中心大廈結(jié)構(gòu)布置情況

2 懸挑平臺(tái)施工方案

懸挑平臺(tái)安裝時(shí)，根據(jù)平臺(tái)的對(duì)稱(chēng)性，采取從左向右、上下層同步安裝的順序進(jìn)行施工。

由于施工過(guò)程中涉及單根懸挑鋼梁的安裝、臨時(shí)固定和變形控制，故該部位安裝時(shí)，應(yīng)遵循先形成小整體結(jié)構(gòu)，再逐漸形成大整體的原則，并輔以懸挑端頭預(yù)抬、臨時(shí)措施拉結(jié)等措施。具體施工安裝步驟如圖3所示。

為避免結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中出現(xiàn)較大變形，在上下層各選取4處懸挑梁靠近端頭位置設(shè)置雙向纜風(fēng)繩進(jìn)行臨時(shí)拉結(jié)，結(jié)構(gòu)安裝完整后再最終拆除，如圖4所示。

(a)第一步：先進(jìn)行5～6層邊緣位置首根懸挑鋼梁安裝，上下同步安裝，先裝下部鋼梁，再裝上部鋼梁，現(xiàn)場(chǎng)不做臨時(shí)措施；后安裝上下挑梁間的立柱，并完成懸挑梁、立柱間的斜撐。 (b)第二步：安裝5～6層邊緣位置二段懸挑鋼梁和軸線(xiàn)1～6上懸挑鋼梁，鋼梁就位后，邊緣位置二段鋼梁不做臨時(shí)措施。上下同步安裝，先裝下部鋼梁，再裝上部鋼梁。

(c)第三步：安裝上下部鋼梁間外立柱。 (d)第四步：立柱間鋼梁安裝。

(e)第五步：軸線(xiàn)1-2和1-3間截面較大鋼梁安裝。 (f)第六步：鋼梁間次梁及支撐安裝。

(g)第七步：懸挑鋼梁安裝，安裝完成后用雙向纜風(fēng)繩將鋼梁懸挑端頭拉結(jié)至內(nèi)側(cè)標(biāo)高較高鋼梁上拉結(jié)位置為鋼梁懸挑端頭向內(nèi)3m位置。上下同步安裝，先裝下部鋼梁，再裝上部鋼梁。 (h)第八步：上下梁間鋼柱安裝，安裝完成后進(jìn)行柱間鋼梁安裝。

(i)第九步：軸線(xiàn)1-3至1-4軸間鋼梁及支撐安裝。 (j)第十步：參照同樣步驟完成其余懸挑平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的安裝。

圖3懸挑鋼桁架的施工步驟

(a)平面圖 (b)剖面圖圖4 懸挑梁端纜風(fēng)繩設(shè)置

3 施工過(guò)程仿真分析

由于施工安裝以及臨時(shí)措施解除，將逐步改變結(jié)構(gòu)模型約束和形體過(guò)程，為確保上述施工方案合理可行，保證結(jié)構(gòu)施工安全，施工過(guò)程的數(shù)值模擬提供了一種有效的分析手段[8-12]。

3.1 MIDAS/GEN分析模型

針對(duì)上述施工方案及步驟，施工過(guò)程模擬總共分為23個(gè)施工模擬階段，將每個(gè)施工階段的單元作為一個(gè)結(jié)構(gòu)組，并激活或鈍化此階段的邊界組和荷載組，從而進(jìn)行該施工階段的有限元分析。同理類(lèi)推其它施工階段的模擬，且MIDAS/GEN軟件可以將這一階段的內(nèi)力、變形作為下一階段分析的初始條件。該工程共進(jìn)行23個(gè)施工階段的模擬，即CS0～CS22階段，分析過(guò)程中僅考慮結(jié)構(gòu)自重(考慮部分施工荷載，自重系取為1.05)。梁、柱、斜撐構(gòu)件均采用MIDAS/GEN軟件中的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

3.2 仿真分析結(jié)果及建議

限于篇幅，本文僅給出部分施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力結(jié)果，如圖5～圖9所示。

(a)變形(mm)

(b)應(yīng)力(MPa)圖5 CS1階段的整體變形及應(yīng)力

(a)變形(mm)

(b)應(yīng)力(MPa)圖6 CS6階段的整體變形及應(yīng)力

(a)變形(mm)

(b)應(yīng)力(MPa)圖7 CS11階段的整體變形及應(yīng)力

(a)變形(mm)

(b)應(yīng)力(MPa)圖8 CS19階段的整體變形及應(yīng)力

(a)變形(mm)

(b)應(yīng)力(MPa)圖9 CS22階段的整體變形及應(yīng)力

由圖5～圖9可知，在每個(gè)施工過(guò)程懸挑平臺(tái)在懸挑梁的端部豎向變形和根部的應(yīng)力均最大和較大，施工過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)，變形測(cè)點(diǎn)(編號(hào)：C1～C12)布置和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)(編號(hào)：S1～ S8)布置分別如圖10～圖11所示。

圖10 懸挑平臺(tái)梁變形重點(diǎn)觀測(cè)點(diǎn)位置

圖11 懸挑平臺(tái)梁根部應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)位置

根據(jù)施工過(guò)程模擬，軟件可以直接繪制得到各觀測(cè)點(diǎn)的施工過(guò)程豎向變形和應(yīng)力的變化曲線(xiàn)，如圖12～圖13所示。

圖12 施工過(guò)程各觀測(cè)點(diǎn)豎向變形曲線(xiàn)

圖13 施工過(guò)程各觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線(xiàn)

由圖12～圖13可知，隨著施工過(guò)程不斷進(jìn)行，各觀測(cè)點(diǎn)的豎向變形和應(yīng)力均隨之增大，各測(cè)點(diǎn)在開(kāi)始階段增加明顯，而在后續(xù)施工階段則趨于平緩，但最后在纜風(fēng)繩拆除階段(CS22階段)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和變形均明顯增大，最終最大豎向累積變形位于測(cè)點(diǎn)C2和測(cè)點(diǎn)C8，如圖9～圖10所示。最大豎向變形值達(dá)到5.93mm；應(yīng)力大值位于測(cè)點(diǎn)S2、S3、S6和S7，分別為24.9MPa、25.2MPa、25.4MPa和25.7MPa，如圖9～圖11所示。

以上可發(fā)現(xiàn)，此案例考慮施工過(guò)程模擬對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響較大(一次性加載變形對(duì)稱(chēng)中間4個(gè)測(cè)點(diǎn)變形應(yīng)最大)，而對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響不大，基本還是在中間測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力最大，這在施工過(guò)程應(yīng)引起重視，尤其是變形敏感處的控制。

此外，結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨之進(jìn)行重分布。在結(jié)構(gòu)施工完畢后，鋼桁架斜撐最大軸應(yīng)力達(dá)到10.3MPa，建議增加觀測(cè)點(diǎn)(布置位置如圖14中S9～S12所示)觀測(cè)其受力變化，以確保施工過(guò)程安全。

圖14 施工完成后鋼桁架斜撐軸應(yīng)力云圖(單位:MPa)

4 結(jié)論及建議

(1)通過(guò)MIDAS/GEN有限元數(shù)值模擬，可以發(fā)現(xiàn)鋼平臺(tái)懸挑梁的根部應(yīng)力、斜撐軸力受力較大，在施工過(guò)程應(yīng)注意控制。

此外，懸挑梁的懸挑端變形較大，且平臺(tái)施工結(jié)束后豎向最大變形并非位于對(duì)稱(chēng)的中間位置，這與一次性加載有限元分析的結(jié)果不同，主要是由于軟件可以根據(jù)施工步驟的情況，將上一階段的內(nèi)力、變形結(jié)果作為下一階段分析的前提，充分說(shuō)明了進(jìn)行施工過(guò)程模擬的重要性和必要性。

(2)建議施工過(guò)程進(jìn)行必要的變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，以確保整個(gè)施工過(guò)程的安全，并給出監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的布置方案。

本案例可供相關(guān)類(lèi)似工程參考。

[1] 潘多忠,魏德敏.大跨度鋼結(jié)構(gòu)分步施工模擬方法[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,38(9):123-126.

[2] 崔曉強(qiáng),郭彥林,葉可明.大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)分析方法研究[J].工程力學(xué),2006,23(5):83-88.

[3] 宋國(guó)福,王海濤,張三虎.神華技術(shù)創(chuàng)新基地大跨度鋼桁架施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2011,40(18):55-58.

[4] 李太權(quán),蘇建成,邱國(guó)鋒.臨沂機(jī)場(chǎng)航站樓鋼管桁架施工技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2012,43(10):873-876.

[5] 李登強(qiáng).考慮與結(jié)構(gòu)共同作用的模板支撐立桿施工階段分析[D].重慶：重慶大學(xué),2014.

[6] 侯曉武,高德志,趙繼.MIDASGen在建筑結(jié)構(gòu)高端分析中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2013,43(S):832-835.

[7] 遇瑞,許立新,張開(kāi)甲.大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程施工過(guò)程分析與計(jì)算的工具及其應(yīng)用[J].施工技術(shù),2014,43(S):307-310.

[8] 周建民,陳順,常建新.大跨度空間鋼管桁架的卸載過(guò)程模擬及控制[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2008,10(4)：14-17.

[9] 楊偉.某大跨度懸挑鋼連廊卸載多尺度有限元模擬及分析[J].結(jié)構(gòu)工程師,2017,33(5):195-201.

[10] 錢(qián)稼茹,張微敬,趙作周，等.北京大學(xué)體育館鋼屋蓋施工模擬與監(jiān)測(cè)[J].土木工程學(xué)報(bào),2009,42(9):13-20.

[11] 伍小平,高振鋒,李子旭.國(guó)家大劇院鋼殼體施工全過(guò)程模擬分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2005,26(5):40-45.

[12] 曲秀姝.高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工階段分析[J].施工技術(shù),2012,41(S):674-676.