基于MIDAS/GEN軟件數值模擬分析施工安全
——以某大廈裙樓結構局部改造施工工程為例

張偉 楊偉 吳其祥

(1.福建省建筑科學研究院 福建福州 350025；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

0 引言

施工過程中可能會發生由于結構不完整導致不堪施工荷載的情形，特別是在對原有結構實施改造時，由于對原結構發生擾動，剛度分布發生變化。在改造后的最終結構布置形成前的施工過程中，各結構構件的受力狀態在每一個施工階段中均可能發生變化，如何保證在改造過程中結構體系平穩有序地轉換、實現安全改造，是空間結構改造或加固施工控制的關鍵。因此，有必要進行施工過程力學分析對整個改造過程各種工況的應力及變形進行計算，制定合理安全的施工方案，以保證結構的安全性[1-5]。本文結合某大廈裙樓局部改造施工，利用MIDAS/GEN 軟件[6-7]對施工全過程進行了數值模擬分析，以確保結構的施工安全。

1 工程概況

某大廈裙樓三層、四層部分建筑功能為影院。根據業主要求，需要對已竣工驗收移交的裙樓個別影廳(07影廳、08影廳)進行結構改造，即對裙樓三層、四層07#廳、08#廳影廳結構進行修改，在四層軸線-～?-區域內部的影院看臺斜板實施拆除，并將軸處框架梁標高降低2.8m，同時進行相應的結構加固。局部改造區域主要位于三層、四層軸線-～?-區域，如圖1所示。

圖1 四層建筑切割拆除范圍示意圖

2 施工方案

首先，進行拆除工作，拆除施工順序按照：搭設(12-15)-(G-J)軸支撐腳手架——07、08影廳看臺斜板破除——1/12-(C-G)軸次梁破除——13-(C-G)軸主梁破除。其中13-(C-G)軸主梁待3Z-13-G軸柱子加固標高至少到4層樓面以上500mm(標高18.1m)，混凝土強度達到70%，三層斜支撐鋼結構加固完成，四層板面粘鋼加固完成，再開始破除13-(C-G)主梁。在破除13-(C-G)軸梁時，從C軸向E軸、G軸方向推進。

其次，拆除完畢后，立即施工杜比廳三層樓面的加固，在新增砼梁板施工到砼澆筑前杜比廳其它柱子及三層梁底加固完成。其它部位的加固隨施工進度同步平行推進。

最后，拆除結構懸挑端支撐腳手架，結構改造施工完成。

主要施工步驟及對應的施工模擬工況如表1所示。

表1 施工內容及對應施工模擬工況

由于切割拆除是逐步解除結構約束和荷載的過程，為確保上述施工方案合理可行，保證結構施工安全，施工過程的數值仿真提供了一種有效的分析手段[8-12]。

3 施工過程仿真分析

3.1 MIDAS/GEN計算模型

施工過程模擬總共分為9個施工模擬階段，即CS0～CS8階段，分析過程中僅考慮結構自重(考慮部分施工荷載，自重系取為1.05)、樓面恒載以及梁上墻體荷載?？蚣芰?、柱均采用軟件中的梁單元，樓板采用板單元，腳手架采用桁架單元，腳手架上部支撐橫桿單元節點與四層梁節點采用僅受壓彈性連接，如圖2所示。建立的施工階段分析模型如圖3 ～圖5所示。

圖2 支撐腳手架橫桿僅受壓彈性連接

圖3 懸挑端設置支撐腳手架(CS1階段)

圖4 影廳梁板柱切除后(CS4階段)

圖5 影廳全部均切除后(CS8階段)

3.2 仿真分析結果

限于篇幅，本文僅給出部分施工階段的結構變形和應力結果，如圖6～圖9所示。

(a)變形(mm)

(b)應力(MPa)圖6 CS1階段結構的整體變形及應力

(a)變形(mm)

(b)應力(MPa)圖7 CS4階段結構的整體變形及應力

(a)變形(mm)

(b)應力(MPa)圖8 CS6階段結構的整體變形及應力

(a)變形(mm)

由圖6～圖9可知，在每個施工過程結構四層懸挑梁端的豎向變形均為最大，因此建議施工過程中應進行監測，重點監測測點(BX1～BX5)布置如圖10所示。根據施工過程模擬，繪制得到各觀測點的施工過程豎向變形及變化量曲線，如圖11～圖13所示。

圖10 四層懸挑梁變形重點觀測點位置

圖11 施工過程各觀測點豎向變形曲線

圖12 施工過程各觀測點豎向變形變化量曲線

圖13 各測點施工過程豎向變形累積變化量曲線

由圖11～圖13可知，隨著切割(敲除)施工過程不斷進行，觀測點的豎向變形均隨之增大，最終最大豎向累積變形位于測點3，最大豎向累積變形值達到3.194mm。此外，CS3、CS4、CS5和CS8施工階段變形增加幅值較大，尤其是CS8施工階段增加幅度最大，其余施工過程變形變化較為平緩。

由上可知，由于結構在拆除過程中，結構的內力變化十分復雜，隨著不斷解除結構的相應約束，結構內力隨之進行內力重分布。結構在切割(敲除)施工過程中，四層懸挑端梁相應的梁根部應力也較大，應重點觀測其受力變化，觀測點如圖14所示。

圖14 四層懸挑梁根部應力觀測點位置

圖15～圖16給出了施工過程各觀測點應力累積及其變化情況。

圖15 施工過程各測點應力變化量曲線(單位:MPa)

圖16 施工過程各觀測點應力累積變化曲線(單位:MPa)

由圖15和圖16可知，在所觀測應力測點中，測點1在CS3、CS4施工過程應力變化較大，隨后變化趨于平緩；測點2和測點3在CS3和CS5施工過程應力變化較大，隨后變化趨于平緩；測點4在CS3、CS7施工過程應力變化較大，隨后變化趨于平緩；測點6和測點7施工過程應力變化均比較平緩；測點5在CS3施工過程應力變化較大，隨后變化趨于平緩?？傮w上，

在CS5施工階段應力變化量最為明顯，后續施工過程各測點應力變化均趨于平穩；最終結構最大應力變化為測點2，最大累積應力變化量達到7.33MPa，施工過程應重點觀測。

4 結論

(1)采用MIDAS/GEN模擬了結構切除(敲除)施工全過程，得到了施工過程關鍵構件的應力、變形變化曲線，對保證結構施工過程的安全提供了有效的技術保障。

(2)建議施工過程進行必要的變形和應力監測，以確保整個施工過程的安全。該案例可供相關類似工程參考。

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