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        某場(chǎng)館大跨空間鋼桁架連廊施工過程模擬分析

        2022-06-19 00:46:23鄧星河焦偉豐黃躍林吳振明劉為龍王峰
        四川建筑 2022年2期
        關(guān)鍵詞:連廊桁架鋼結(jié)構(gòu)

        鄧星河 焦偉豐 黃躍林 吳振明 劉為龍 王峰

        摘要:大跨空間鋼結(jié)構(gòu)施工過程中,結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,不確定因素多,施工方案的合理性和施工過程的安全性十分重要。文章采用MIDAS Gen對(duì)嘉興市文化藝術(shù)中心大跨鋼桁架連廊進(jìn)行了施工全過程模擬,分析了各施工階段桁架的位移與應(yīng)力狀態(tài),并依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)置了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案,以確保施工過程的安全。通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,驗(yàn)證了施工方案的可行性和準(zhǔn)確性。

        [作者簡(jiǎn)介]鄧星河(1980—),男,本科,高級(jí)工程師,國(guó)家一級(jí)注冊(cè)建造師,主要從事建筑施工工作。

        空間鋼結(jié)構(gòu)由于其外形可塑性強(qiáng),跨越能力卓越,多用于體育場(chǎng)館、文化藝術(shù)中心、展館等空間需求較高的城市建設(shè)項(xiàng)目,且隨著建筑使用要求、功能的提高以及建筑外形的多元化,鋼結(jié)構(gòu)形式更趨于復(fù)雜化,對(duì)結(jié)構(gòu)施工方案制定、施工控制以及運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的評(píng)估都提出極大挑戰(zhàn)。尤其在施工階段,由于結(jié)構(gòu)規(guī)模較大、設(shè)計(jì)復(fù)雜,易造成施工難度大,迫使施工中常需借助輔助支撐手段進(jìn)行分階段施工,而此時(shí)結(jié)構(gòu)尚未形成完整的受力體系,導(dǎo)致施工過程易出現(xiàn)安全隱患。因此,對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全過程模擬尤為重要,根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)施工方案和監(jiān)測(cè)方案的合理性與準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估是十分必要的,直接影響整個(gè)施工過程的安全性[1-7]。

        1 工程概況

        嘉興市文化藝術(shù)中心地上共有3棟鋼框架主塔樓(美術(shù)館、劇場(chǎng)、圖書館),形似三葉草,如圖1所示。每棟鋼框架塔樓均為5層(夾層1層),結(jié)構(gòu)高度28.6 m,建筑高度37.8 m,彼此通過大跨鋼桁架結(jié)構(gòu)形式的連廊實(shí)現(xiàn)連通,每座連廊共布置縱橫11榀桁架,桁架最大跨度為36.3 m,高度5.35 m,采用焊接H形鋼截面,最大截面尺寸為H700×300×20×40,單榀重約32.5 t,材質(zhì)為Q345GJB,鋼桁架連廊平面布置如圖2所示。

        2 空間鋼桁架連廊施工方案

        由于工程中3個(gè)鋼桁架連廊所采用的施工方案一致,此小節(jié)以其中一個(gè)鋼桁架連廊(美術(shù)館與劇場(chǎng)間)為例展開描述。因鋼桁架連廊跨度大、桿件尺寸大、高空焊接施工,故采用工廠預(yù)拼、現(xiàn)場(chǎng)高空散裝的方式進(jìn)行安裝,并在安裝前搭設(shè)臨時(shí)輔助支撐,整體結(jié)構(gòu)成型后的安全卸載也是本工程的重難點(diǎn)。因此,施工方案由拼裝施工方案和卸載施工方案2部分組成,具體的施工順序?yàn)椋喊惭b下弦平面—安裝豎腹桿、上弦、斜腹桿—安裝縱向聯(lián)系桁架、次梁—拆除臨時(shí)支撐—樓板澆筑。

        2.1 拼裝施工方案

        大跨鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)的安裝進(jìn)程細(xì)分步驟如表1所示。

        2.2 卸載施工方案

        為了最大程度地保障安裝時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性,整個(gè)安裝過程借助臨時(shí)支撐(圖3),在結(jié)構(gòu)安裝完成后須對(duì)其進(jìn)行拆除,此步一般稱之為卸載階段。本工程大跨鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)的卸載順序如圖4所示,先拆除最外側(cè)支撐,后從外向內(nèi)對(duì)稱拆除內(nèi)側(cè)3排支撐,共分4步。

        3 施工過程模擬

        3.1 模型介紹

        采用有限元分析軟件MIDAS對(duì)鋼桁架連廊進(jìn)行施工全過程模擬,以美術(shù)館與圖書館之間的鋼桁架連廊為例,進(jìn)行建模分析。連廊中的桁架桿件、次梁以及主結(jié)構(gòu)的立柱均用梁?jiǎn)卧M,彼此連接節(jié)點(diǎn)為剛接;組合樓板用板單元進(jìn)行模擬,與結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛接以模擬剛性樓板;連廊與主體結(jié)構(gòu)立柱相連,模型取至下層柱底,忽略主塔樓與立柱的相互作用,立柱底部設(shè)為固結(jié),接近實(shí)際工況。通過在臨時(shí)支撐布置點(diǎn)增加或消除約束條件以模擬臨時(shí)支撐拆除前后的不同工況。施工過程中無其他額外荷載作用,故荷載僅考慮結(jié)構(gòu)自重,并乘以1.4的安全系數(shù)。

        根據(jù)鋼桁架連廊的施工方案,可分為6個(gè)工況進(jìn)行施工模擬:

        (1)工況一:鋼桁架下弦全部拼裝完畢(拼裝施工方案第一步)。

        (2)工況二:鋼桁架結(jié)構(gòu)全部拼裝完畢(拼裝施工完成)。

        (3)工況三:拆除支撐階段一完畢(卸載施工方案第一、二步)。

        (4)工況四:拆除支撐階段二完畢(卸載施工方案第三步)。

        (5)工況五:拆除支撐階段三完畢(卸載施工完成)。

        (6)工況六:組合樓板澆筑完畢(鋼桁架連廊施工完成)。

        工況1~工況6的有限元模型如圖5所示。

        3.2 模擬結(jié)果

        各種工況下模擬得到的豎向位移如圖6所示。圖中結(jié)果顯示,工況一的最大豎向位移為18.77 mm;當(dāng)所有構(gòu)件拼裝完成后(工況二),最大豎向位移增大至18.85 mm,且與工況一發(fā)生在同一榀桁架的下弦。因有支撐作用,豎向位移最大的桁架撓度容許值L/400[8]為45.38 mm,此外,拼裝施工完成后,結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下的最大拉應(yīng)力為54.19 MPa,最大壓應(yīng)力為56.00 MPa,遠(yuǎn)小于所用鋼材的設(shè)計(jì)值295 MPa,表明了拼裝施工方案的可行性和安全性。

        工況三~工況六的最大豎向位移分別為18.87 mm、18.90 mm、19.52 mm和21.56 mm,均小于最大位移所在位置的單榀桁架撓度容許值,位移的不斷增大符合實(shí)際施工工況。工況三~工況六的最大拉應(yīng)力依次為59.46 MPa、54.47 MPa、55.93 MPa和66.25 MPa,最大壓應(yīng)力依次為60.05 MPa、47.71 MPa、54.44 MPa和62.17 MPa,均遠(yuǎn)小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度。模擬結(jié)果表明卸載施工方案安全可靠,樓板澆筑完成后結(jié)構(gòu)在位移和承載力方面留有很大富余,為后續(xù)施工提供了安全保障。

        4 實(shí)測(cè)應(yīng)力值對(duì)比

        4.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案

        工程中鋼桁架連廊因跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高空施工難度大等特點(diǎn),在整個(gè)安裝與卸載過程中存在較多不確定因素,易出現(xiàn)安全隱患。因此,以施工全過程的有限元模擬結(jié)果為依據(jù),對(duì)鋼連廊橫向主桁架HJ1、HJ1a和HJb中關(guān)鍵桿件的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示,共計(jì)18個(gè)測(cè)點(diǎn)。

        應(yīng)力監(jiān)測(cè)借助于表面型振弦式應(yīng)變傳感器。在構(gòu)件拼裝前,通過兩端點(diǎn)焊的方式將傳感器固定在構(gòu)件表面測(cè)點(diǎn)處,基于便攜式采集設(shè)備,記錄頻率初值,作為起始零應(yīng)力狀態(tài)。后續(xù)工況應(yīng)力監(jiān)測(cè),同樣采用便攜式采集設(shè)備,并根據(jù)各工況記錄的頻率值,利用傳感器系數(shù)進(jìn)行應(yīng)力換算,傳感器系數(shù)由出廠時(shí)廠家標(biāo)定給出。表面型振弦式應(yīng)變傳感器和便攜式采集設(shè)備如圖8所示。

        4.2 拼裝階段應(yīng)力對(duì)比

        在工況一和工況二條件下,數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)得到的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值對(duì)比如圖9所示,圖中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好,變化趨勢(shì)基本一致,表明所建立的有限元模型可準(zhǔn)確地模擬鋼桁架安裝過程。此外,圖中結(jié)果顯示,兩種工況下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的模擬值最大為32.8 MPa,遠(yuǎn)小于鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度295 MPa,表明鋼桁架連廊所采用的施工安裝方法安全合理;工況一施工完畢,各測(cè)點(diǎn)中最大應(yīng)力實(shí)測(cè)值為23.01 MPa,占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的7.8 %;工況二施工完畢,最大應(yīng)力實(shí)測(cè)值為22.17 MPa,占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的7.5 %,表明結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件在兩個(gè)施工階段均在彈性階段,且在結(jié)構(gòu)自重作用下應(yīng)力占比很小,結(jié)構(gòu)安全可靠。

        4.3 卸載和樓板澆筑階段應(yīng)力對(duì)比

        工況三~工況六,各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖10所示,其中僅在卸載階段,個(gè)別測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力模擬值與實(shí)測(cè)值相差較大(工況五),但整體吻合較好,表明所建立的有限元模型可以很好地模擬臨時(shí)支撐的卸載過程和樓板澆筑完畢后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。此外,圖中結(jié)果顯示,四種工況下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的模擬值最大為31.1 MPa,遠(yuǎn)小于鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度295 MPa,表明鋼桁架連廊所采用的支撐卸載方法安全可靠;最大實(shí)測(cè)應(yīng)力值為-51.18 MPa,出現(xiàn)在支撐拆除完畢后(工況五),當(dāng)繼續(xù)施工至工況六完畢,該測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值為18.87 MPa,雖然應(yīng)力變化量為70.05 MPa,但該構(gòu)件仍處在彈性階段;當(dāng)施工結(jié)束后(工況六),各測(cè)點(diǎn)最大實(shí)測(cè)應(yīng)力為-32.71 MPa,占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的11.1 %,表明結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下安全可靠,且為后續(xù)施工和使用留有充足冗余度。

        5 結(jié)論

        (1)對(duì)于大跨度復(fù)雜鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)的施工方案而言,通過有限元軟件MIDAS模擬其施工全過程是可行的。在施工各階段,關(guān)鍵桿件應(yīng)力的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合良好,表明了施工方案的準(zhǔn)確性和合理性,并為同類復(fù)雜的空間大跨度結(jié)構(gòu)工程的施工提供了重要的數(shù)據(jù)參考。

        (2)部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的模擬值與監(jiān)測(cè)值存在略大的偏差,可能是有限元模型僅對(duì)鋼桁架連廊進(jìn)行了建模,未考慮相連主塔樓的約束作用所導(dǎo)致。從另一方面說明,大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的施工全過程應(yīng)在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上輔以監(jiān)控措施,及時(shí)對(duì)可能發(fā)生的隱患進(jìn)行糾偏或處理,保障施工安全。

        參考文獻(xiàn)

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