大型鋼結(jié)構(gòu)整體提升過(guò)程的有限元分析

胡麗娟HU Li-juan；黃佩兵HUANG Pei-bing

（中國(guó)電建集團(tuán)江西省水電工程局有限公司，南昌330000）

0 引言

某會(huì)展中心項(xiàng)目#1、#2 展廳和進(jìn)站大廳組成，建筑采用對(duì)稱布置，參見(jiàn)圖1。主體采用鋼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)體系為鋼管柱+型鋼支撐+鋼桁架；地上3 層，地下1 層，總建筑面積34000m2，鋼結(jié)構(gòu)總重量約為18000 噸。進(jìn)站大廳屋面鋼結(jié)構(gòu)位于地下室頂板上方，需要等到地下室結(jié)構(gòu)完成施工，方可進(jìn)行此部分的鋼結(jié)構(gòu)安裝。

進(jìn)站大廳屋面鋼結(jié)構(gòu)跨度51m，長(zhǎng)度為75.05m，主要由8 榀管桁架組成，管桁架兩端支座為抗震球鉸支座，支座安裝標(biāo)高為+23.29m。管桁架橫斷面為倒三角形，最重的管桁架單重達(dá)45.4 噸。如采用大型起重機(jī)械進(jìn)行單榀桁架吊裝方案，起重機(jī)械設(shè)備需在頂板上進(jìn)行吊裝作業(yè)，頂板承載能力無(wú)法滿足要求，則需要投入大量的地下室頂板加固費(fèi)用。如采用搭設(shè)滿堂架進(jìn)行高空散裝方案，則施工周期長(zhǎng)、成本高和安全風(fēng)險(xiǎn)大。因此最終選擇“地面原位拼裝、整體提升”的施工工藝。

圖1 進(jìn)站大廳立面

將屋面鋼結(jié)構(gòu)在安裝位置正下方的地下室頂板上拼裝成整體后，利用“液壓同步提升技術(shù)”，將其提升到位。提升過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力采用有限元軟件MIDAS/Gen 全過(guò)程仿真計(jì)算，同步提升通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，有效保障施工安全，并將大大降低施工難度。

1 提升方案設(shè)計(jì)

1.1 提升吊點(diǎn)布置

屋面鋼結(jié)構(gòu)在其投影面正下方的地下室頂板上拼裝為整體，根據(jù)其結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱的特點(diǎn)并通過(guò)軟件分析優(yōu)化，最終確定在兩側(cè)面各布置五個(gè)吊點(diǎn)（見(jiàn)圖2）。在鋼柱頂部位置（標(biāo)高+23.290m），利用鋼管柱及管桁架一段上弦桿設(shè)置提升平臺(tái)，布置上吊點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。在與上吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管桁架下弦桿件上安裝提升下吊點(diǎn)（見(jiàn)圖4），上、下吊點(diǎn)間通過(guò)專(zhuān)用底錨和專(zhuān)用鋼絞線連接。

圖2 提升吊點(diǎn)平面布置

1.2 提升平臺(tái)設(shè)計(jì)

提升平臺(tái)由上弦桿、斜撐、托座和提升梁組成，提升梁、上弦桿、球鉸支座和斜撐將提升反力傳遞到鋼柱上，優(yōu)化了提升情況下鋼柱的受力狀態(tài)。提升梁規(guī)格為H300×250×14，斜撐規(guī)格為Φ180×6 鋼管，托座由20mm 厚的鋼板焊接制成。所有臨時(shí)措施材質(zhì)均為Q345B，提升平臺(tái)各桿件之間均采用焊接連接，焊縫均采用熔透焊縫，焊縫等級(jí)為二級(jí)。

圖3 提升平臺(tái)（上吊點(diǎn)）示意

1.3 同步提升方案

提升前，檢查提升單元和所有臨時(shí)措施是否滿足施工方案和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。確認(rèn)無(wú)誤后以計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的各提升吊點(diǎn)反力值為依據(jù)，對(duì)提升單元進(jìn)行分級(jí)加載（試提升），各吊點(diǎn)處的液壓提升系統(tǒng)伸缸壓力分級(jí)增加，依次為20%、40%、60%、70%、80%。再次檢查各部分無(wú)異常的情況下，可繼續(xù)加載到90%、95%、100%，直至提升單元全部脫離拼裝胎架。提升單元離開(kāi)拼裝胎架約150mm 后，利用液壓提升系統(tǒng)設(shè)備鎖定，空中停留12 小時(shí)做靜載試驗(yàn)，對(duì)吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)、承重體系和提升設(shè)備等做全面檢查，各項(xiàng)檢查正常無(wú)異常，再進(jìn)行正式提升。做靜載試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量各吊點(diǎn)的水平標(biāo)高，并計(jì)算出各吊點(diǎn)相對(duì)高差。

正式提升時(shí)，通過(guò)液壓提升系統(tǒng)設(shè)備調(diào)整各吊點(diǎn)高度，使提升單元達(dá)到設(shè)計(jì)姿態(tài)。以調(diào)整后的各吊點(diǎn)高度為新的起始位置，復(fù)位位移傳感器，在同步整體提升過(guò)程中，始終保持該姿態(tài)。提升鋼結(jié)構(gòu)距設(shè)計(jì)標(biāo)高約200mm 時(shí)，暫停提升。

圖4 下吊點(diǎn)三維示意

提升就位時(shí)，各吊點(diǎn)微調(diào)使結(jié)構(gòu)精確提升到達(dá)設(shè)計(jì)位置，液壓提升系統(tǒng)設(shè)備暫停工作，保持提升單元的空中姿態(tài)，然后進(jìn)行后裝桿件的安裝并進(jìn)行焊接，使提升鋼結(jié)構(gòu)形成整體穩(wěn)定受力體系。

吊點(diǎn)裝置拆除前，后裝桿件焊縫經(jīng)檢測(cè)合格后方可將液壓提升系統(tǒng)設(shè)備同步減壓，至鋼絞線完全松弛。最后拆除液壓提升系統(tǒng)設(shè)備及相關(guān)臨時(shí)措施，完成鋼結(jié)構(gòu)整體提升作業(yè)。

2 提升過(guò)程的有限元分析

2.1 抗震球鉸支座的有限元分析

球鉸支座的四面均采用鋼板（材質(zhì)Q345B，厚度20mm）將其座板和頂板焊接連接（見(jiàn)圖5），焊縫均采用熔透焊縫，焊縫等級(jí)為二級(jí)。采用ANSYS 有限元程序?qū)φw結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析, 基本荷載組合為1.4LL，LL 為水平反力標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)計(jì)算，屋面鋼結(jié)構(gòu)提升時(shí)，LL 最大標(biāo)準(zhǔn)值為485kN。

圖5 抗震球鉸支座計(jì)算模型

圖6 抗震球鉸支座應(yīng)力分布云

根據(jù)抗震球鉸支座應(yīng)力分布云圖（圖6）得知，其最大應(yīng)力為69.341MPa，且遠(yuǎn)小于295MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 抗震球鉸支座變形分布云

根據(jù)抗震球鉸支座變形分布云圖（圖7）得知，其最大變形約為0.26mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 提升平臺(tái)的有限元分析

采用有限元軟件MIDAS/Gen 對(duì)提升平臺(tái)進(jìn)行分析計(jì)算。恒荷載DL，為支承結(jié)構(gòu)自重，其自重由程序自動(dòng)計(jì)算。提升荷載LL，為鋼結(jié)構(gòu)提升時(shí)計(jì)算得到的提升反力?；竞奢d組合為1.2DL+1.4LL。

2.2.1 應(yīng)力比分布圖

圖8 屋面鋼結(jié)構(gòu)提升平臺(tái)應(yīng)力比分布圖

提升時(shí)，圖8 中桿件的最大應(yīng)力比為0.56<1.0，滿足規(guī)范要求。

2.2.2 變形分布圖

提升時(shí)，圖9、圖10 支承結(jié)構(gòu)最大豎向位移約為3mm。

2.3 屋面鋼結(jié)構(gòu)的有限元分析

整個(gè)提升過(guò)程采用空間有限元程序MIDAS/Gen 仿真分析，其計(jì)算模型如圖11 所示。

圖9 屋面鋼結(jié)構(gòu)提升平臺(tái)DXYZ 分布圖（單位：mm）

圖10 屋面鋼結(jié)構(gòu)提升平臺(tái)DZ 分布圖（單位：mm）

圖11 整體提升的屋面鋼結(jié)構(gòu)

2.3.1 應(yīng)力比分布圖

鋼結(jié)構(gòu)提升時(shí)，恒荷載DL 為結(jié)構(gòu)自重，提升結(jié)構(gòu)包括管桁架結(jié)構(gòu)、檁條結(jié)構(gòu)和女兒墻結(jié)構(gòu)等，總重為412.45T，檁條結(jié)構(gòu)、女兒墻結(jié)構(gòu)重量平均分布在桁架結(jié)構(gòu)上。風(fēng)荷載W，按《重型結(jié)構(gòu)和設(shè)備整體提升技術(shù)規(guī)范》（GB51162-2016）取標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓值0.25kPa。基本荷載組合為1.2DL+1.4W。

屋面鋼結(jié)構(gòu)提升時(shí)，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比約為0.62（見(jiàn)圖12），小于1.0，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.3.2 變形分布圖

通過(guò)屋面鋼結(jié)構(gòu)變形分布圖（圖13 和圖14）得知，結(jié)構(gòu)跨中最大豎向變形約為44mm，提升點(diǎn)間距約為48000mm，變形為跨度的1/1090，滿足規(guī)范要求（不大于1/400）。

圖12 屋面鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖

圖13 屋面鋼結(jié)構(gòu)DXYZ 分布圖（單位：mm）

圖14 屋面鋼結(jié)構(gòu)DZ 分布圖（單位：mm）

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可知，提升時(shí)，屋面鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度均滿足設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求。

3 實(shí)施效果

本工程屋面鋼結(jié)構(gòu)施工中采用了“液壓同步提升”施工技術(shù)，從地面拼裝至液壓提升設(shè)備拆除，歷經(jīng)62 天，順利圓滿地完成了安裝任務(wù)。方案編制階段采用有限元分析軟件對(duì)球鉸支座、提升平臺(tái)和屋面鋼結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析計(jì)算，安裝過(guò)程中利用分析所得數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)同步提升，工程進(jìn)度、質(zhì)量和安全得到了有效保證，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，在我國(guó)大型鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中，整體提升技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此對(duì)臨時(shí)支撐、卸載設(shè)施和鋼結(jié)構(gòu)本身在施工過(guò)程中的受力分析越來(lái)越重要，否則將帶來(lái)巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，有限元（仿真）分析技術(shù)應(yīng)用于大體積、大跨度、大噸位空間鋼結(jié)構(gòu)的安裝，將大大地降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。