超大懸挑桁架施工模擬分析

于 科 杜洪利 孫 偉 解曉東 陳前廷

1.中建八局第一建設(shè)有限公司 濟(jì)南 250100；2.合肥工業(yè)大學(xué) 合肥 230088

1 工程概況

背景項(xiàng)目為交通銀行金融服務(wù)中心（合肥）項(xiàng)目一期和二期一階段B區(qū)營(yíng)業(yè)廳及會(huì)議區(qū)大懸挑鋼結(jié)構(gòu)工程，位于合肥市濱湖新區(qū)CBD核心商務(wù)區(qū)，東臨徽州大道，南臨嘉陵江路，西臨西藏路，北至用地邊界。

B區(qū)營(yíng)業(yè)廳及會(huì)議中心，地上4 層，建筑高度24.00 m，總建筑面積7 851 m2。營(yíng)業(yè)廳及會(huì)議區(qū)地上4 層、地下2 層，首層層高6.00 m，2層以上層高均為5.20 m。主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土（部分型鋼混凝土）框架結(jié)構(gòu)，地面以上（大懸挑外）區(qū)域采用鋼筋混凝土梁板式樓蓋體系。大懸挑采用空間鋼結(jié)構(gòu)桁架，主要分布在A～C軸之間，如圖1、圖2所示。

圖1 營(yíng)業(yè)廳及會(huì)議區(qū)鋼結(jié)構(gòu)平面布置示意

2 施工模擬目的

1）根據(jù)圖紙和施工方案資料，建立B區(qū)營(yíng)業(yè)廳與會(huì)議區(qū)模型，進(jìn)行B區(qū)懸挑桁架施工過(guò)程的模擬分析，得到施工過(guò)程中懸挑桁架的內(nèi)力、變形等變化情況，確定懸挑桁架的最大變形節(jié)點(diǎn)，為施工過(guò)程在保證安全的前提下順利完成施工任務(wù)提供技術(shù)參考。

2）建立B區(qū)營(yíng)業(yè)廳及會(huì)議區(qū)模型，通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)模擬的施工過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，從而得到靜力條件下，B區(qū)懸挑桁架的內(nèi)力以及變形情況，為實(shí)際施工過(guò)程中搭設(shè)模板支撐提供數(shù)值計(jì)算依據(jù)。

圖2 營(yíng)業(yè)廳及會(huì)議區(qū)鋼結(jié)構(gòu)部分左視圖

3 工作準(zhǔn)備

1）依據(jù)資料。B區(qū)營(yíng)業(yè)廳及會(huì)議區(qū)建筑與結(jié)構(gòu)圖紙；B區(qū)大懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工專項(xiàng)方案；相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。

2）方法。通過(guò)查看相關(guān)資料，對(duì)B區(qū)懸挑桁架項(xiàng)目總體概況進(jìn)行詳細(xì)了解，確定項(xiàng)目模擬分析的目的、方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件sap2000v15.1.1建立結(jié)構(gòu)模型，分別模擬懸挑桁架施工過(guò)程中和靜力條件下懸挑桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形的發(fā)展過(guò)程和數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

4 分析過(guò)程及結(jié)果

4.1 整體模型的建立

按照設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行軸線的布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的定義及布置，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)采用固結(jié)點(diǎn)，懸挑桁架鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)采用鉸接點(diǎn)，建立整體結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 整體模型

4.2 懸挑桁架模擬吊裝施工過(guò)程分析

懸挑桁架吊裝施工過(guò)程模擬時(shí)，按照B區(qū)懸挑吊裝流程進(jìn)行分析，整個(gè)模擬過(guò)程只考慮靜力荷載，不考慮風(fēng)荷載等的影響，通過(guò)靜力條件分析，選擇已有鋼構(gòu)件ZC2（□600 mm×600 mm×30 mm×30 mm）作為臨時(shí)支撐[1-4]。不考慮懸挑部分壓型鋼板的鋪設(shè)，取施工恒荷載為結(jié)構(gòu)自重，主體結(jié)構(gòu)的施工活荷載為3 kN/m2，運(yùn)用sap2000階段施工分析模塊進(jìn)行模擬分析，分析步驟及結(jié)果如下：

4.2.1 模擬施工過(guò)程步驟

4.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4 拆除軸臨時(shí)支撐

圖5 拆除軸臨時(shí)支撐后的軸桁架變形

圖6 拆除軸臨時(shí)支撐

圖7 拆除所有臨時(shí)支撐后的軸桁架變形

在拆除所有支撐后，豎向位移超過(guò)4.5 mm的節(jié)點(diǎn)共16 個(gè)，如表1和圖8所示。

表1 豎向結(jié)構(gòu)位移超過(guò)4.5 mm的節(jié)點(diǎn)

圖8 第2跨桁架YZ平面節(jié)點(diǎn)編號(hào)

4.3 懸挑桁架靜態(tài)情況下的數(shù)值模擬分析

靜力分析只考慮結(jié)構(gòu)自重、梁間線荷載以及板面上施工荷載，不考慮風(fēng)荷載以及地震荷載等條件。取結(jié)構(gòu)線荷載為14 kN/m，施工活荷載為3 kN/m2，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模擬分析得出如下情況。

1）計(jì)算模擬結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)豎向位移超過(guò)35 mm的節(jié)點(diǎn)總共22 個(gè)，如表2所示。

表2 豎向結(jié)構(gòu)位移超過(guò)35 mm的節(jié)點(diǎn)

2）靜力條件下，懸挑桁架豎向變形隨著懸挑距離的增加而增加，每一跨桁架平面橫梁兩端豎向變形較小，跨中最大豎向變形較大：第1跨桁架梁端節(jié)點(diǎn)豎向位移最大值為-21.671 8 mm，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為261，跨中節(jié)點(diǎn)豎向位移最大值為-31.093 3 mm，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為476，節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)圖9。第2跨桁架端節(jié)點(diǎn)豎向位移最大值為-31.859 0 mm，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為213，跨中節(jié)點(diǎn)豎向位移最大值為-41.878 8 mm，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為477，節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)圖8。綜上所述，懸挑桁架的豎向變形均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50017—2003》附錄A表A.1.1中受彎構(gòu)件撓度容許值的規(guī)定，表明在靜力條件下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)件滿足承載力和穩(wěn)定性要求。靜力條件下，懸挑桁架的總體變形如圖10所示。

圖9 第1跨桁架YZ平面節(jié)點(diǎn)編號(hào)

圖10 整體變形示意

5 分析結(jié)論

1）在懸挑桁架吊裝過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照B區(qū)大懸挑桁架鋼結(jié)構(gòu)施工專項(xiàng)方案進(jìn)行，在整個(gè)懸挑桁架吊裝過(guò)程中，運(yùn)用科學(xué)測(cè)量?jī)x器，確保桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝位置精確，并嚴(yán)格監(jiān)控桁架各主要節(jié)點(diǎn)的變形情況，對(duì)軸桁架橫梁的跨中以及兩端節(jié)點(diǎn)（特別是表1中所列的節(jié)點(diǎn)）的位移進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，確保吊裝過(guò)程科學(xué)合理、安全有效。

2）計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程中未考慮風(fēng)荷載的影響，在實(shí)際吊裝過(guò)程中，應(yīng)選擇在無(wú)風(fēng)或者風(fēng)力不影響吊裝的天氣條件下進(jìn)行施工。

3）計(jì)算機(jī)模擬施工過(guò)程中，臨時(shí)支撐是整排拆除，在臨時(shí)支撐實(shí)際拆除過(guò)程中，應(yīng)科學(xué)選擇單個(gè)臨時(shí)支撐的拆除順序，并在拆除過(guò)程中注意監(jiān)控整個(gè)桁架的變形變化情況。

4）依據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果，在懸挑桁架結(jié)構(gòu)實(shí)際施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)變形應(yīng)滿足以下條件：

（1）在懸挑桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝過(guò)程中，拆除臨時(shí)支撐前，懸挑結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件最大變形量不超過(guò)1.5 cm；

（3）在結(jié)構(gòu)吊裝完成后，懸挑結(jié)構(gòu)的第1跨橫梁兩端節(jié)點(diǎn)的豎向位移不超過(guò)2 cm，跨中節(jié)點(diǎn)的位移不超過(guò)3 cm，第2跨橫梁兩端節(jié)點(diǎn)豎向位移不超過(guò)3 cm，跨中節(jié)點(diǎn)的位移不超過(guò)4 cm；

（4）整個(gè)結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的X方向水平位移不超過(guò)1.5 cm，Y方向水平位移不超過(guò)1.5 cm。以上位移數(shù)值均為安全警戒值，如果施工過(guò)程中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超過(guò)上述數(shù)值，應(yīng)立即停止施工，檢查結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件變形等相關(guān)情況并進(jìn)行分析，采取安全防護(hù)措施，在確保安全的情況下進(jìn)行后續(xù)施工。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元軟件建立超大懸挑桁架有限元模型，按施工方案中超大懸挑桁架的安裝流程，模擬各階段施工狀態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，依據(jù)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證施工方案的可行性，確保施工順利進(jìn)行[5-8]。