陶兵進(jìn)

（上海通正鋁結(jié)構(gòu)建設(shè)科技有限公司 上海 201111）

0 引言

工程案例表明，很多工程事故都是發(fā)生在施工過程中。所以，進(jìn)行施工過程的模擬分析，了解結(jié)構(gòu)在施工過程中的應(yīng)力和位移情況非常有必要［1-3］。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)安裝主要包括高空散裝法，分塊吊裝和整體提升［4-5］。某機(jī)場航站樓屋蓋采用二場地拼裝、駁船海運(yùn)、大模塊整體提升、滑移、卸載的施工方法。整個(gè)施工過程復(fù)雜，進(jìn)行全過程的施工過程分析具有更加重要的意義。本文以某機(jī)場航站樓屋蓋為背景，采用標(biāo)準(zhǔn)100 m×36 m模塊，對屋蓋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段有限元模擬，按施工加載順序及施工實(shí)際情況進(jìn)行力學(xué)分析，保證施工全過程的安全性，驗(yàn)證施工方案的可行性。

1 某機(jī)場航站樓工程概況

某機(jī)場航站樓布置如圖1所示，平面呈Y形，總長799 m，寬700 m。主大廳區(qū)域長434 m，寬98 m。航站樓南/北翼區(qū)域長354 m，寬58 m。整個(gè)航站樓共有地上5 層，地下3 層；航站樓建筑頂標(biāo)高+47.80 m，地面層標(biāo)高+7.80 m，建筑底標(biāo)高-2.15 m。

圖1 某航站樓布置Fig.1 Layout of the Terminal Building

其中主大廳為本研究的主要研究對象。主大廳屋面鋼結(jié)構(gòu)由一系列主次桁架組成，主桁架支撐于混凝土柱或樹狀鋼柱上，標(biāo)準(zhǔn)跨度36 m，桁架高度3.5 m；次桁架支撐于主桁架上，標(biāo)準(zhǔn)跨度27 m/36 m，桁架高度3.5 m，如圖2 所示。主桁架弦桿主要為UKC305×305×137，腹桿主要為UKC254×254×73；次桁架弦桿主要為UKC254×254×107，腹桿主要為UKC203×203×46。材質(zhì)采用是S355，總用鋼量約36 000 t。主大廳主要典型節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖2 主大廳結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Layout of the Main Concourse

圖3 主大廳典型節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.3 Typical Node Diagram of Main Hall

本工程施工采用標(biāo)準(zhǔn)100 m×36 m 模塊，整體轉(zhuǎn)運(yùn)、滑移、提升施工方法。為考慮施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，本文對該工程屋蓋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段有限元模擬，按施工加載順序及施工實(shí)際情況進(jìn)行力學(xué)分析，保證施工全過程的安全性，驗(yàn)證施工方案的可行性。

2 結(jié)構(gòu)施工模擬分析的目的和方法

結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是一次成型，施加全部荷載，進(jìn)行整體分析。但是，真實(shí)的加載過程和受力狀態(tài)并非如此［6-8］。施工模擬本質(zhì)上是一種分階段變剛度分析方法。施工狀態(tài)中的每一個(gè)實(shí)際，分別對階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)施加階段荷載或移去荷載；不同施工階段狀態(tài)疊加，即后一階段的起始狀態(tài)是前一階段結(jié)束狀態(tài)，結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力分別在各階段中與前一階段中鎖定內(nèi)力、鎖定變形相疊加，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)施工的過程模擬［6-8］。

施工模擬是一種非線性分析。其非線性體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)剛度矩陣在過程中發(fā)生變化。本項(xiàng)目使用SAP2000 軟件，充分考慮施工步驟，按實(shí)際施工過程分層加載，實(shí)現(xiàn)施工模擬分析。

3 施工模擬分析

3.1 分析模型

主大廳的SAP2000模型如圖4所示。

圖4 主大廳有限元模型Fig.4 Finite Element Model of Main Concourse

3.2 主要施工荷載

施工模擬分析時(shí)施加的荷載包括：

⑴恒載：構(gòu)件自重，天窗重量，屋面層重量，吊頂重量，機(jī)電支架重量，馬道重量；

⑵溫度荷載：按升溫取+30 ℃，降溫取-30 ℃［9］；

⑶風(fēng)荷載：風(fēng)荷載取10年一遇基本風(fēng)壓，在東莞二場地拼裝按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［9］取值，在香港提升滑移按香港本地荷載規(guī)范取值；

模塊在轉(zhuǎn)運(yùn)、提升、滑移過程中，屋面可不考慮施工活荷載。

3.3 加載及分析步驟

主大廳的施工過程簡述如下：二場地模塊拼裝→模塊脫胎轉(zhuǎn)運(yùn)→駁船海運(yùn)→模塊下船→模塊香港場內(nèi)運(yùn)輸→模塊提升→模塊滑移→模塊卸載→模塊補(bǔ)缺。

主大廳的模塊劃分如圖5所示。標(biāo)準(zhǔn)模塊為100 m×36 m。模塊間的拼裝相互獨(dú)立；為保證各專業(yè)間連接的便利性和連接精度，每一個(gè)模塊拼裝時(shí)的位形均為設(shè)計(jì)位形，即為傾斜狀態(tài)拼裝；為保證操作空間，相鄰模塊最近點(diǎn)間距1 m。

圖5 主大廳模塊劃分Fig.5 Module Division of Main Concourse （mm）

細(xì)化后用于SAP2000 施工模擬分析步驟，如表1所示，共24 步。整體取模塊C1、C2、C3 進(jìn)行分析，其余按此順序循環(huán)。另外，細(xì)分模塊C2 的每一步加載，即階段（7～18）。

表1 施工模擬步驟Tab.1 Construction Simulation Steps

4 施工模擬分析結(jié)果

下面對幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 二場地拼裝支撐點(diǎn)位轉(zhuǎn)換研究

從二場地拼裝，到SPMT 車運(yùn)到駁船，駁船轉(zhuǎn)運(yùn)，SPMT 車運(yùn)送下船，SPMT 車運(yùn)送到堆放場地，這一系列過程，都涉及到支撐點(diǎn)位的轉(zhuǎn)換。為了盡可能減輕對模塊的影響，需要盡可能重復(fù)利用支撐點(diǎn)位。為此，支撐點(diǎn)位布置應(yīng)盡可能減少對原結(jié)構(gòu)影響，如圖6所示。

圖6 主大廳二場地支撐點(diǎn)位Fig.6 Off-site Support Location of Main Concourse

以模塊C2 為例，分析在二場地拼裝、運(yùn)輸過程中，即階段（7～15），典型階段的構(gòu)件的應(yīng)力情況，如圖7 所示。分析表明：在階段（7～13），即鋼結(jié)構(gòu)自重情況下，構(gòu)件最大應(yīng)力為200 MPa；在階段14，即加上天窗重量、屋面層重量、吊頂重量、機(jī)電支架重量及馬道重量情況下，支撐點(diǎn)附近部分桿件達(dá)450 MPa，部分超應(yīng)力［10］，需進(jìn)行構(gòu)件加固或替換；在階段15，即支撐點(diǎn)位改為SPMT 車支撐點(diǎn)位，同樣部分構(gòu)件超應(yīng)力，需進(jìn)行構(gòu)件加固或替換。

圖7 模塊C2 施工過程構(gòu)件應(yīng)力Fig.7 Stress of Module C2 during Construction Stage

4.2 施工過程中位移變化

結(jié)構(gòu)位移的變化是結(jié)構(gòu)施工過程中需要監(jiān)控的重要指標(biāo)。需要分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)過程中位移，為現(xiàn)場施工提供數(shù)據(jù)支撐。本文選取模塊C2 主桁架跨中位置作為位移控制點(diǎn)，位置如圖8所示。

圖8 模塊C2控制點(diǎn)位置Fig.8 Control Point in Module C2

控制點(diǎn)Z向位移如圖9所示?？梢钥闯鲭A段（1～6）模塊C2還沒開始施工，所以位移為0。從階段（7～13），模塊C2 主桁架跨中Z向位移逐漸變大，因?yàn)槟KC2構(gòu)件開始逐步施工，在鋼結(jié)構(gòu)自重下，位移緩慢變大。在階段14 時(shí)，施加模塊C2 天窗重量、屋面層重量、吊頂重量、機(jī)電支架重量及馬道重量，Z向位移急速增大到63 mm；在階段15，SPMT車點(diǎn)位變化，Z向位移減小到51 mm。階段（16～23）處于滑移階段，主桁架位于滑軌上，故豎向位移很小。最后階段24，卸載后，最終Z向位移為27 mm。

圖9 模塊C2主桁架跨中Z向位移（正值表示向下）Fig.9 Displacement in Middle of Module C2 Main Truss（Positive Represents Down）

4.3 施工過程結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化

結(jié)構(gòu)應(yīng)力的研究同樣使用上述位移控制點(diǎn)。應(yīng)力結(jié)果如圖10 所示。在階段（1～6），C2 模塊尚未施工，故應(yīng)力為0。在階段（7～13），C2 模塊一片一片施工，使得控制點(diǎn)的應(yīng)力緩慢增大。在階段14，施加模塊C2 天窗、屋面層、吊頂?shù)戎亓?，?yīng)力急劇增大到203 MPa。在階段15，支撐點(diǎn)間距縮小，導(dǎo)致應(yīng)力縮小到175 MPa。在階段（16～23），處于滑移階段，主桁架位于滑軌上，構(gòu)件應(yīng)力在50 MPa 左右。在階段24，卸載后，最終構(gòu)件應(yīng)力在160 MPa左右。

圖10 模塊C2主桁架跨中應(yīng)力Fig.10 Stress in the Middle of Module C2 Main Truss

5 結(jié)論與建議

⑴本文應(yīng)用SAP2000 有限元軟件，對某機(jī)場航站樓施工過程進(jìn)行了24 個(gè)階段的全過程施工模擬分析，說明施工方法的可行性，為施工控制提供了重要依據(jù)。

⑵拼裝支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)換研究中發(fā)現(xiàn)，部分支座附近桿件超應(yīng)力，需要加固或替換處理。

⑶施工過程位移和應(yīng)力分析表明：分步施工模擬的結(jié)果與實(shí)際的施工情況相吻合。施工過程中存在位移和應(yīng)力較大的狀態(tài)，并且大于最終成形狀態(tài)。說明施工模擬分析的必要性。