大跨度懸挑鋼連廊施工全過(guò)程數(shù)值模擬及監(jiān)控
——以某大廈主體工程為案例

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)

大跨度懸挑鋼連廊施工全過(guò)程數(shù)值模擬及監(jiān)控
——以某大廈主體工程為案例

楊 偉1,2

(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)

對(duì)某大跨度懸挑鋼連廊的施工全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析和卸載監(jiān)控。針對(duì)制定的鋼連廊施工方案，采用MIDAS/GEN軟件進(jìn)行施工全過(guò)程數(shù)值模擬分析，以確保方案的可行性。同時(shí)對(duì)卸載過(guò)程鋼梁的變形和關(guān)鍵受力部位的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證結(jié)構(gòu)在胎架卸載過(guò)程中的安全，并驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。測(cè)試結(jié)果表明：該工程數(shù)值模擬準(zhǔn)確，施工方案可行，卸載后結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

鋼梁；大懸挑；施工監(jiān)控；數(shù)值模擬

0 引言

隨著大型鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目越來(lái)越多，其建筑造型也越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致施工方案也復(fù)雜，隨之施工過(guò)程的力學(xué)問(wèn)題也受到重視。大型鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程往往需要通過(guò)多階段分步施工，并由構(gòu)件或子結(jié)構(gòu)逐步組裝形成。施工過(guò)程經(jīng)常伴隨著臨時(shí)支撐的安裝、拆除。由于存在著施工荷載。在施工過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生由于結(jié)構(gòu)不完整或施工缺陷導(dǎo)致不堪施工荷載的情形，從而導(dǎo)致施工事故的發(fā)生。因此，施工過(guò)程的有限元分析對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全性尤其重要[1-2]。

眾多實(shí)際工程案例表明，為保證制定的施工方案合理和施工過(guò)程的安全，應(yīng)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行關(guān)鍵桿件的應(yīng)力及變形計(jì)算和監(jiān)測(cè)[3～6]。

本文結(jié)合某高層大跨度懸挑鋼連廊的施工，利用MIDAS/GEN 軟件對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析并進(jìn)行卸載過(guò)程監(jiān)測(cè)。

1 工程概況

某大廈主體工程建筑高度主樓為149.9m，總建筑面積約為125 290m2，主要由一幢地上31層辦公樓及2幢5～7層附屬樓組成，3幢樓在地下連通，地下室2層，地上由4座鋼連廊連通。鋼連廊分布情況如圖1所示。L1、L2、L3連接主樓與東西樓之間，其中主樓與西樓之間為鋼連廊，主樓和東樓之間為連廊L4，連廊L4采用鋼梁形式，跨度和懸挑均比較大，如圖2所示。鋼連廊L4位于主樓和東樓之間，跨度為51m，寬9m，連通主樓第五層和東樓第五層。

該工程鋼連廊L4跨度為51m，連廊的安裝達(dá)到《危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理辦法》中“跨度大于36m及以上的鋼結(jié)構(gòu)安裝工程，需要組織專家對(duì)專項(xiàng)方案進(jìn)行論證”的要求。為保證制定方案的可行性及施工的安全，對(duì)鋼連廊L4的施工過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程數(shù)值分析，并同時(shí)進(jìn)行卸載過(guò)程的監(jiān)測(cè)。本文主要以鋼連廊L4為例進(jìn)行介紹。

圖1 鋼連廊分布情況

圖2 L4鋼連廊示意圖

2 施工方案

2.1 鋼梁施工過(guò)程

鋼連廊L4主鋼梁分成3～5段，根據(jù)連廊鋼箱梁分段，對(duì)分段桿件進(jìn)行編號(hào)，如圖3所示。

圖中L4-6、L4-9和L4-10拼接成內(nèi)跨主鋼梁，L4-2、L4-3、L4-7、L4-8和L4-11拼接成外跨主鋼梁，L4-1、L4-4和L4-5為懸挑段主鋼梁，與主樓柱牛腿焊接。內(nèi)跨主鋼梁一端(即L4-6位置)也是與主樓柱牛腿焊接，另外一端則與東樓柱采用隔震支座連接。外跨主鋼梁一端(即L4-2位置)與懸挑端(即L4-1)采用螺栓連接，另外一端則與東樓柱也是采用隔震支座連接。施工之前主梁通過(guò)事先分段處搭設(shè)好的胎架，在高空進(jìn)行原位組裝，其余小型構(gòu)件及次梁采用高空散裝的方法[7-8]。

圖3 鋼連廊L4主梁分段情況

2.2 胎架卸載裝置及分級(jí)

鋼箱梁Z方向上由胎架頂部標(biāo)高控制，局部精確調(diào)節(jié)通過(guò)在胎架上設(shè)置鋼楔子調(diào)節(jié)，鋼楔子裝置如圖4所示。XY平面內(nèi)調(diào)整主要由吊裝過(guò)程初控，并通過(guò)千斤頂進(jìn)行局部調(diào)節(jié)。

卸載過(guò)程按照“變形先大后小”的原則進(jìn)行部署施工卸載順序。根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，在胎架卸載時(shí)，將鋼楔子重復(fù)由中間向兩邊進(jìn)行下調(diào)，逐步將主梁下鋼楔子全部卸載懸空，從而達(dá)到支撐卸載目的。圖5給出了胎架平面布置及胎架卸載順序示意圖。

圖4 鋼楔子裝置圖

圖5 鋼連廊L4胎架位置卸載順序示意圖

3 施工過(guò)程數(shù)值模擬

3.1 MIDAS/GEN施工階段分析

MIDAS/GEN施工階段分析功能可以考慮：任意齡期構(gòu)件和任意時(shí)刻荷載的加載與卸載以及邊界條件的變化等因素。該程序有兩種計(jì)算模型(累加模型和獨(dú)立模型)來(lái)考慮施工過(guò)程的問(wèn)題，不同計(jì)算模型有各自優(yōu)點(diǎn)：

(1)累加模型，可以方便解決混凝土收縮和續(xù)編問(wèn)題，施工階段分析時(shí),下一個(gè)階段模型可以繼承上一個(gè)階段模型的內(nèi)力和位移等。

(2)獨(dú)立模型，不能反應(yīng)收縮和徐變問(wèn)題，但容易解決大位移等非線性分析，在每個(gè)施工階段均按一個(gè)獨(dú)立模型進(jìn)行計(jì)算分析，即各自考慮自身的荷載和邊界條件等，并最終將各個(gè)獨(dú)立分析結(jié)果的差作為累加結(jié)果進(jìn)行考慮。

文中考慮將上一個(gè)階段模型的內(nèi)力和位移，作為下一階段的分析條件進(jìn)行安裝及卸載全過(guò)程數(shù)值模擬，即采用累加模型。

3.2 MIDAS/GEN計(jì)算模型

根據(jù)施工方案及部署，該施工模擬過(guò)程共分為14個(gè)階段，荷載主要考慮結(jié)構(gòu)自重、施工荷載，通過(guò)激活各施工階段的結(jié)構(gòu)組、荷載組和邊界組，即可進(jìn)行施工全過(guò)程的分析。施工階段部分模型如圖6～圖10所示。

圖6 第一階段(安裝過(guò)程) 圖7 第四階段(安裝過(guò)程)

圖8 第十階段(安裝完畢)

圖9 第十三階段(卸載過(guò)程)

圖10 第十四階段(卸載完畢)

3.3 數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)上述分析模型可以得到各施工階段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形結(jié)果。限于篇幅，文中僅給出部分分析后的應(yīng)力及變形結(jié)果，如圖11～圖14所示。由圖可知，鋼連廊L4在胎架卸載后內(nèi)外跨中位置和牛腿根部位置應(yīng)力較大，變形最大值則均在內(nèi)外跨的跨中位置。

圖11 結(jié)構(gòu)應(yīng)力(第十三階段)

圖12 結(jié)構(gòu)整體變形(第十三階段)

圖13 結(jié)構(gòu)應(yīng)力(卸載完畢)

圖14 結(jié)構(gòu)整體變形(卸載完畢)

施工過(guò)程L4-5懸挑端及內(nèi)外跨主鋼梁跨中變形曲線，L4-5牛腿處、內(nèi)跨主鋼梁牛腿處、內(nèi)外跨跨中處應(yīng)力變化曲線，如圖15～圖16所示。

圖15 施工全過(guò)程主鋼梁懸挑端及內(nèi)、外跨中變形曲線

圖16 施工全過(guò)程牛腿根部及跨中處應(yīng)力變化曲線

由圖15可知，整個(gè)安裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)位移逐漸增加，變化相對(duì)緩慢。結(jié)構(gòu)位移較大突變是在施工第十二階段，即胎架開(kāi)始卸載后。當(dāng)胎架卸載完成后，L4-5懸挑端最終變形值為5.5mm，內(nèi)跨主鋼梁跨中最終變形值為9.7mm，外跨主鋼梁跨中最終變形值為17.6mm。

同樣，由圖16可知，整個(gè)安裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平始終保持在合理的范圍。當(dāng)胎架開(kāi)始卸載時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力開(kāi)始驟然增加，卸載完成后主鋼梁最終應(yīng)力變化范圍在-19.0MPa～33.5MPa之間。整個(gè)過(guò)程中，構(gòu)件受力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，安全儲(chǔ)備充足。

4 現(xiàn)場(chǎng)卸載過(guò)程監(jiān)測(cè)

在施工卸載過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵位置處的應(yīng)力和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)[9]，即在內(nèi)外主鋼梁的跨中、牛腿根部、懸挑端均布置了測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)。應(yīng)力采用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)試，如圖17所示，變形則采用高精度徠卡全站儀進(jìn)行測(cè)試。每一級(jí)卸載完均進(jìn)行應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)采集。

圖17 振弦應(yīng)變計(jì)布置及保護(hù)(牛腿及跨中位置)

4.1 變形測(cè)試結(jié)果

胎架各級(jí)卸載過(guò)程鋼梁各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比曲線，如圖18所示。由圖可知，卸載過(guò)程實(shí)測(cè)值和理論值趨勢(shì)和大小均基本吻合，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確，施工方法可行。

此處的變形理論值小于施工全過(guò)程模擬的結(jié)果，如圖15所示，其原因在于與實(shí)測(cè)值作比較，如圖18所示。理論計(jì)算值已扣除了胎架卸載前胎架及鋼梁自重作用下的變形值。

圖18 胎架卸載過(guò)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形實(shí)測(cè)值及理論值對(duì)比曲線

4.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

胎架各級(jí)卸載過(guò)程鋼梁各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比曲線，由圖19可知，內(nèi)、外跨鋼梁跨中的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值基本吻合。懸挑端牛腿根部及內(nèi)跨牛腿根部應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與理論值趨勢(shì)相符但數(shù)值偏小。這主要是由于實(shí)際牛腿處應(yīng)力監(jiān)測(cè)位置并不在牛腿根部，而是靠近牛腿處圖如圖17所示。因此，應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與理論值也是基本吻合的。

圖19 胎架卸載過(guò)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值及理論值對(duì)比曲線

5 結(jié)論

(1)MIDAS/GEN通過(guò)合理的設(shè)定施工過(guò)程各個(gè)參數(shù)(模型結(jié)構(gòu)組、荷載組、邊界組等參數(shù))，可以模擬

結(jié)構(gòu)施工建造全過(guò)程，模擬得到的施工全工程應(yīng)力、變形曲線，對(duì)保證結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的安全提供了有效的技術(shù)保障。

(2)測(cè)試結(jié)果表明：鋼梁關(guān)鍵部位的應(yīng)力和鋼梁的變形實(shí)測(cè)值均與理論數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，并說(shuō)明結(jié)構(gòu)施工方法可行，卸載后結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

本案例可供相關(guān)類似工程參考。

[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] 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.

[4] 楊偉.福州海峽國(guó)際會(huì)展中心擴(kuò)建工程?hào)|區(qū)鋼桁架施工過(guò)程數(shù)值模擬[J].福建建筑，2015(7):117-119.

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Numerical Simulation and Control of the Whole Construction Process of a Large Span Cantilever Steel Gallery ——Take a hige-rise building as a case

YANGWei1,2

(1. Fujian Academy of Building Research, Fuzhou 350025; 2. Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology, Fuzhou 350025)

The whole construction process of a large span cantilever steel gallery is simulated and monitored. According to the construction scheme of steel gallery, MIDAS/GEN software was used to carry out numerical simulation analysis of the whole process of construction, in order to ensure the feasibility of the scheme. In the same time, the deformation of the steel beam and the stress of the key parts in the unloading process were monitored, in order to ensure the safety of the structure. Also, the accuracy of numerical simulation was verified. The test results show that the numerical simulation is accurate, the construction scheme is feasible, and the structure is in a safe state after unloading.

Steel beam; Large cantilever; Construction monitoring; Numerical simulation

楊偉(1979.10- )，男，高級(jí)工程師。

E-mail:ywluck@qq.com.

2017-05-15

TU393.3

A

1004-6135(2017)09-0026-05