中國VR中心大廈懸挑鋼平臺施工全過程仿真分析

楊 偉

(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，特別是如何保證結構在施工過程中體系平穩有序、安全地轉換是施工控制的關鍵。因此，有必要應用施工過程力學分析對整個施工工況的應力及變形進行計算，從而制定合理安全的施工方案，確保結構施工的安全性[1-5]。

本文結合中國VR大廈懸挑鋼平臺的施工，利用MIDAS/GEN 軟件對施工全過程進行了數值模擬分析[6-7]，以期為施工安全提供技術參考和依據。

1 工程概況

該工程為商業辦公樓，總建筑面積29 683m2。地上20層，均為商業辦公樓，地下設1層地下室，建筑功能為停車及相關設備配套用房，地下室為全埋式，埋深約6.0m，效果圖如圖1所示。結構高度為100.5m，為鋼框架-核心筒結構。柱腳為埋入式柱腳，埋入承臺2m，并通過錨桿與混凝土結構錨固，核心筒主要由十字鋼骨柱和剪力墻鋼骨梁構成，鋼骨柱與鋼骨梁、外框架鋼梁通過牛腿相連接。外框架結構主要有鋼管柱、型鋼梁、鋼斜撐和桁架組成大樓。

圖1 中國VR中心大廈效果圖

兩側鋼骨柱由標高±0.000m至標高+32.830m向內傾斜，由標高+46.330m至屋面向外傾斜。除兩側傾斜鋼柱外，其余鋼管柱由底至頂在管內灌注混凝土，兩側傾斜鋼柱僅澆筑至11層(標高+50.830m)。5～6層間還設有懸挑鋼桁架結構，由H型鋼焊接而成，其所在懸挑框架結構，鋼梁最大懸挑長度約為11.65m。中國VR中心大廈結構布置情況如圖2所示。

本文主要針對懸挑鋼桁架平臺的施工過程進行數值模擬與分析。

圖2 中國VR中心大廈結構布置情況

2 懸挑平臺施工方案

懸挑平臺安裝時，根據平臺的對稱性，采取從左向右、上下層同步安裝的順序進行施工。

由于施工過程中涉及單根懸挑鋼梁的安裝、臨時固定和變形控制，故該部位安裝時，應遵循先形成小整體結構，再逐漸形成大整體的原則，并輔以懸挑端頭預抬、臨時措施拉結等措施。具體施工安裝步驟如圖3所示。

為避免結構安裝過程中出現較大變形，在上下層各選取4處懸挑梁靠近端頭位置設置雙向纜風繩進行臨時拉結，結構安裝完整后再最終拆除，如圖4所示。

(a)第一步：先進行5～6層邊緣位置首根懸挑鋼梁安裝，上下同步安裝，先裝下部鋼梁，再裝上部鋼梁，現場不做臨時措施；后安裝上下挑梁間的立柱，并完成懸挑梁、立柱間的斜撐。 (b)第二步：安裝5～6層邊緣位置二段懸挑鋼梁和軸線1～6上懸挑鋼梁，鋼梁就位后，邊緣位置二段鋼梁不做臨時措施。上下同步安裝，先裝下部鋼梁，再裝上部鋼梁。

(c)第三步：安裝上下部鋼梁間外立柱。 (d)第四步：立柱間鋼梁安裝。

(e)第五步：軸線1-2和1-3間截面較大鋼梁安裝。 (f)第六步：鋼梁間次梁及支撐安裝。

(g)第七步：懸挑鋼梁安裝，安裝完成后用雙向纜風繩將鋼梁懸挑端頭拉結至內側標高較高鋼梁上拉結位置為鋼梁懸挑端頭向內3m位置。上下同步安裝，先裝下部鋼梁，再裝上部鋼梁。 (h)第八步：上下梁間鋼柱安裝，安裝完成后進行柱間鋼梁安裝。

(i)第九步：軸線1-3至1-4軸間鋼梁及支撐安裝。 (j)第十步：參照同樣步驟完成其余懸挑平臺鋼結構的安裝。

圖3懸挑鋼桁架的施工步驟

(a)平面圖 (b)剖面圖圖4 懸挑梁端纜風繩設置

3 施工過程仿真分析

由于施工安裝以及臨時措施解除，將逐步改變結構模型約束和形體過程，為確保上述施工方案合理可行，保證結構施工安全，施工過程的數值模擬提供了一種有效的分析手段[8-12]。

3.1 MIDAS/GEN分析模型

針對上述施工方案及步驟，施工過程模擬總共分為23個施工模擬階段，將每個施工階段的單元作為一個結構組，并激活或鈍化此階段的邊界組和荷載組，從而進行該施工階段的有限元分析。同理類推其它施工階段的模擬，且MIDAS/GEN軟件可以將這一階段的內力、變形作為下一階段分析的初始條件。該工程共進行23個施工階段的模擬，即CS0～CS22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)。梁、柱、斜撐構件均采用MIDAS/GEN軟件中的梁單元進行模擬。

3.2 仿真分析結果及建議

限于篇幅，本文僅給出部分施工過程的結構變形和應力結果，如圖5～圖9所示。

(a)變形(mm)

(b)應力(MPa)圖5 CS1階段的整體變形及應力

(a)變形(mm)

(b)應力(MPa)圖6 CS6階段的整體變形及應力

(a)變形(mm)

(b)應力(MPa)圖7 CS11階段的整體變形及應力

(a)變形(mm)

(b)應力(MPa)圖8 CS19階段的整體變形及應力

(a)變形(mm)

(b)應力(MPa)圖9 CS22階段的整體變形及應力

由圖5～圖9可知，在每個施工過程懸挑平臺在懸挑梁的端部豎向變形和根部的應力均最大和較大，施工過程中應進行重點觀測，變形測點(編號：C1～C12)布置和應力測點(編號：S1～ S8)布置分別如圖10～圖11所示。

圖10 懸挑平臺梁變形重點觀測點位置

圖11 懸挑平臺梁根部應力觀測點位置

根據施工過程模擬，軟件可以直接繪制得到各觀測點的施工過程豎向變形和應力的變化曲線，如圖12～圖13所示。

圖12 施工過程各觀測點豎向變形曲線

圖13 施工過程各觀測點應力變化曲線

由圖12～圖13可知，隨著施工過程不斷進行，各觀測點的豎向變形和應力均隨之增大，各測點在開始階段增加明顯，而在后續施工階段則趨于平緩，但最后在纜風繩拆除階段(CS22階段)各測點應力和變形均明顯增大，最終最大豎向累積變形位于測點C2和測點C8，如圖9～圖10所示。最大豎向變形值達到5.93mm；應力大值位于測點S2、S3、S6和S7，分別為24.9MPa、25.2MPa、25.4MPa和25.7MPa，如圖9～圖11所示。

以上可發現，此案例考慮施工過程模擬對結構的變形影響較大(一次性加載變形對稱中間4個測點變形應最大)，而對結構的內力影響不大，基本還是在中間測點的應力最大，這在施工過程應引起重視，尤其是變形敏感處的控制。

此外，結構在安裝過程中，結構內力隨之進行重分布。在結構施工完畢后，鋼桁架斜撐最大軸應力達到10.3MPa，建議增加觀測點(布置位置如圖14中S9～S12所示)觀測其受力變化，以確保施工過程安全。

圖14 施工完成后鋼桁架斜撐軸應力云圖(單位:MPa)

4 結論及建議

(1)通過MIDAS/GEN有限元數值模擬，可以發現鋼平臺懸挑梁的根部應力、斜撐軸力受力較大，在施工過程應注意控制。

此外，懸挑梁的懸挑端變形較大，且平臺施工結束后豎向最大變形并非位于對稱的中間位置，這與一次性加載有限元分析的結果不同，主要是由于軟件可以根據施工步驟的情況，將上一階段的內力、變形結果作為下一階段分析的前提，充分說明了進行施工過程模擬的重要性和必要性。

(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，并給出監測測點的布置方案。

本案例可供相關類似工程參考。

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