淺談大型復雜型鋼柱施工偏差力學分析及處理方法

黃貴虎（中鐵航空港建設集團北京有限公司，北京 100071）

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淺談大型復雜型鋼柱施工偏差力學分析及處理方法

黃貴虎（中鐵航空港建設集團北京有限公司，北京 100071）

力學分析是施工力學的重要分支，也是施工過程的重要環節。施工力學將力學理論和土木工程相結合，現已成為新的交叉型學科，將工程結構的就和參數、物理參數和邊界參數等作為重要的研究對象。針對大型復雜鋼結構施工而言，設計、施工人員必須對實際結構的施工過程進行正確的分析，同時也需要對結構內力和結構形變進行預測控制，保證鋼結構在施工過程中的安全性。本文結合實際工程案例，針對鋼結構偏差問題進行了力學分析，提出了連接部位的構造措施和力學偏差的處理方法，為施工力學提供有力的依據。

大型復雜鋼結構；偏差問題；處理方法

工程結構在建造過程中必須遵循一定的規則控制幾何形態、剛度和荷載的變化。傳統結構設計只對不同載荷工況下的組合模型進行分析，但是在施工過程中實際結構的自重恒載荷逐漸明顯，不同結構的內力逐漸疊加，必須充分考慮施工過程對結構的影響，避免大型復雜結構出現穩定性問題，降低風險系數。鋼結構重量輕、工業化程度較高、抗震性較強，在建筑工程中獲得了廣泛應用，但是鋼結構在安裝過程中對幾何偏差的敏感性較強，在實際安裝過程中必須嚴格控制偏差問題。

1　工程概況

XXX大廈為集甲級寫字樓、商業、片區交通樞紐為一體的超高層綜合建筑，地下6層，地上55層，采用框架核心筒結構，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。經地下部分施工單位、地上施工單位、地上鋼結構部分專業分包單位三方共同復測，中心最大偏差達146mm，十字形柱翼緣處部分最大偏差達195mm，鑒于此情況導致一層柱與負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點構造處理的柱糾偏方案。

2　鋼結構偏差力學分析

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到強度設計值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計算結果

以下所有鋼板應力均為VonMises應力。

2.2.1下柱應力

整體應力趨勢為東側應力較大，西側應力較小。最大應力點在東南側翼緣處，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，因而該部位應力較大。在加勁肋范圍內，東南側應力較大，整體來說應力分布比較均勻。除了在加勁肋范圍內的柱東南側應力較大，出現個別應力集中點之外，其余部位應力分布較均勻。

2.2.2上柱應力

應力最大值點位于腹板加勁肋的上端、東西側翼緣北部、加勁肋的上端。

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

2.2.3連接板應力

連接板的應力結果見圖2。

圖2　連接板應力分析結果

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

從以上分析結果看，按純型鋼模型分析，在構件頂部均布荷載作用下，除了局部點應力集中外，大部分區域的應力分布均勻，說明這種連接構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　型鋼混凝土節點復核結果

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點模型。型鋼柱下端固定，頂端作用均布面荷載27.8MPa（相當于柱軸壓比為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計算結果

3.2.1混凝土柱壓應力結果

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變協調，不同標高的應力分布情況略有不同，柱頂及柱底角部應力達30MPa，中間型鋼區應力17MPa。在頂部壓應力作用下，混凝土部分應力分布是合理的。

3.2.2上柱應力結果

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

3.2.3連接板應力結果

連接板應力分布相對與純鋼結構節點更加均勻。連接板應力較小，可以滿足要求。按實際的型鋼混凝土模型分析，在構件頂部均布荷載作用下，型鋼與混凝土共同受力變形，型鋼的應力集中程度明顯減小。上下型鋼、過渡板以及加勁板等的應力分布均勻。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，其應力分布不均勻。

3.3中、大震下框架柱底部抗彎承載力復核

根據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行分析，確保柱滿足抗震性能目標要求，求出框架柱在中、大震作用下的彈性和不屈服驗算結果后。計算結果表明，下部型鋼偏位后柱底截面的抗彎承載力滿足要求［2］。

現有上下型鋼偏位連接部位的構造處理方案可行。在加勁肋范圍內，上柱、下柱、連接板、加勁肋應力比較均勻，可以實現上下柱力的傳遞的。純鋼節點分析結果表明，加勁肋范圍外除了東南側下柱翼緣加勁肋端部應力集中，其余位置柱型鋼應力分布均勻。型鋼混凝土柱分析結果表明，柱內型鋼應力較小，柱內混凝土使型鋼應力更加均勻。下柱的應力明顯大于上柱，說明偏心對下柱影響較大。計算結果表明，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要求。

4　鋼結構偏差處理方法

4.1模型應用

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

4.1.1純型鋼節點

僅考慮上下偏位型鋼，不考慮混凝土，通過調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力分布情況，選取合理的節點構造處理方案。

4.1.2型鋼混凝土節點

根據確定的節點構造方案，考慮上下偏位型鋼，同時考慮外圍混凝土作用，分析柱內上下型鋼的應力分布情況。

4.1.3柱承載力復核

根據型鋼實際偏位情況，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行復核。

4.2連接部位的構造措施

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

根據分析結果，上下偏位型鋼的連接構造做法見圖4。

圖4　上下偏位型鋼的連接方法

大型鋼結構和超高層結構不斷增多的同時，力學問題也逐漸突出，傳統的施工技術已不能解決復雜結構中的偏差問題。近年來有許多創新性技術獲得應用，例如整體提升施工技術、整體滑移施工技術等。在創新施工方案的同時，將新型大型復雜鋼結構形式相結合，以結構特點和受力特點為依據，不斷優化施工方案。力學問題的解決更加依賴于計算機分析，可以在施工過程中進行科學精確的仿真，了解整體結構在施工過程中的形變和內力變化。

5　結束語

針對大型復雜鋼結構而言，工程竣工后必須滿足形變不超限、內力變化在規定范圍內的要求。設計人員需要重點分析結構成型過程，應用科學的分析方法，結合結構的受力要求提出相應的評價，對結構內里和形變進行深入研究，保證竣工后的整體結構滿足設計要求。本文對大型復雜鋼結構施工中表現出的力學偏差問題進行了探討，通過有限元分析將結構的受力特點展示出來，對結構偏差問題的解決提出了針對性措施，可以為類似鋼結構工程提供借鑒依據。

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

［2］廖芳芳.往復荷載下鋼結構節點的超低周疲勞斷裂預測［J］.同濟大學學報（自然科學版），2013，42（4）：53.

［3］曾志斌，周華.國家體育場大跨度鋼結構在卸載過程中的應力監測［J］.土木工程學報，2014，41（3）：114.

黃貴虎（1985-），男，中級工程師，本科，主要從事技術管理工作。

TU391

A

2095-2066（2016）09-0169-02

2016-3-8