太原二青會終點塔懸掛鋼桁架結構施工工況模擬分析

郭 宏,劉 凱,薛建英,鄒澤宇

(1.中北大學土木工程系，太原 030051；2.山西省四建集團有限公司，太原 030051)

隨著建筑業的快速發展，出現一些造型獨特、施工難度大的懸掛結構。這類建筑相較于傳統建筑造型更加多樣化，施工進度快，施工成本低，抗震性能好，能夠將建筑藝術和現代結構技術有機的結合起來。蔡文華等[1-3]長期致力于懸掛建筑結構領域的研究，推導分析了懸掛建筑結構不同材料下的穩定性，石開榮等[4]主要研究復雜懸掛結構施工的模擬及監測，都取得了豐富的成果。

在懸掛結構的施工過程中，傳統的施工方法滿足不了施工要求，需要根據具體情況設置一些臨時支撐[5]，為了確保施工安全和結構安全，需要對懸掛結構的施工狀態進行計算和數值模擬。卸掉支撐后的變形是否符合設計及規范要求[6]是施工的關鍵點。拆除過程是臨時支撐的卸載過程，也是結構應力變化和內力重新分配的過程[7]，結構系統從施工狀態過渡到設計狀態[8-9]。需要對這一過程進行數值模擬分析，掌握最佳的拆除時機，杜絕意外的發生[10]。

終點塔為不規則的懸掛鋼桁架結構，工程緊鄰汾河，現場施工環境復雜。通常情況下懸掛結構施工以計算結果為基礎確定施工方法及程序，方法簡單、復核困難，安全可靠性不足。相較傳統桁架的由下往上的施工順序，考慮到現場實際情況，工程終點塔采用倒裝的順序，由上往下施加荷載，既是工程的難點、關鍵點也是創新點。運用MIDAS模擬了終點塔懸掛鋼桁架結構的施工過程[11]，得到的模擬值與現場的實測值及計算值進行比較分析，確定合理可行的施工方法，從而進一步證明模擬的合理。

1 背景

1.1 工程概況

太原市水上運動中心西臨汾河，總建筑面積約2 000 m2，由奧地利設計師Roman設計。終點塔主體結構采用懸掛式鋼桁架-混凝土核心筒體系，建筑高度21.8 m，是大懸挑懸掛結構。

終點塔為本項目建設重點。屋面頂部采用鋼結構桁架，終點塔的勁性鋼筋混凝土柱的鋼結構部分是焊接箱型柱，懸掛柱是圓管鋼柱。終點塔和媒體中心的剛性柱、鋼梁、懸掛柱和桁架的鋼材為Q345B。鋼桁架節點和梁柱連接節點均為剛性節點，梁梁連接部分為鉸接。終點塔懸掛鋼桁架結構現場施工情況如圖1所示。

圖1 終點塔鋼桁架結構施工圖Fig.1 Construction drawing of the steel truss structure of terminal tower

1.2 懸掛結構

懸掛在柱子上的屋頂或地板上的建筑物是懸掛式建筑物。這種建筑的特點最大程度的發揮了鋼材力學性能，進一步增加了結構的跨度和節約了材料的使用量，建筑的形式更加充滿想象的空間。常用的懸掛結構體系的結構形式采用懸臂梁式和拉桿式，如圖2所示。

圖2 常用的懸掛結構體系Fig.2 Common suspension structure system

1.3 懸掛結構的施工特點

懸掛結構可以將建筑藝術和現代結構技術有機的結合起來，能很好地滿足使用需要，但有一定的設計難度和施工難度。

(1)優點：①基礎工程量小，工期大大縮短；②基礎不均勻沉降的影響較小；③節約鋼材用量，降低施工成本；④造型別致，易于穿插設計，平面布置更為靈活，藝術上有特色；⑤抗震性能良好。

(2)缺點：①建筑布置形式區別于傳統建筑的單一，較多樣化，所以結構體系的受力十分復雜，建筑的穩定性和抗傾覆能力較弱；②由于懸掛結構的傳遞力的途徑改變，常規的施工方法不能滿足施工要求，所以在施工過程中不僅需要搭設滿堂腳手架，此外，需要根據具體情況設置一些臨時支撐，確保結構構件的穩定性，在作用完成后卸載臨時支撐。

臨時支撐的作用是保證結構構件的穩定以及增加建筑的整體穩定性和空間剛度，在臨時支撐完成后，需要拆除它。為了確保拆除過程的順利實施，需要對這一過程進行數值模擬分析，掌握最佳的拆除時機，杜絕意外的發生。

2 施工方案

2.1 施工方案的比選確定

根據結構特點和設備情況，提出了兩種鋼桁架施工方案，并進行比較。

2.1.1 方案一

方案一是高空作業拼裝成型。在核心筒周圍搭設滿堂腳手架，所有構件設計標高處利用槽鋼等作為安裝桁架的支撐，腳手架作為操作臺，工人在操作臺上完成后續的高空拼裝作業。這種方案的優點在于不影響其他工種的作業，也不會占用多余的場地，這種臨時支撐方案要求相對較低。缺點在于大量的構件在空中進行作業，加大了工人工作的難度，焊接的過程中變形等不好控制，再者是搭設腳手架耗時久，對工期會有影響。

2.1.2 方案二

方案二是在地面拼裝，然后用起重設備整體吊裝上去。前期對鋼構件在加工廠內進行預拼裝，對施工現場進行實地測量和記錄，屋面桁架在地面根據圖紙現場拼裝好，接著安裝桁架支撐柱用以臨時支撐胎架，然后用四臺大型汽車吊機對屋面桁架進行整體吊裝，等屋面桁架安裝到位后，在對吊柱進行安裝(吊柱及吊柱節點在加工廠拼裝焊接完成后整體運輸到現場安裝)、支撐卸載、一層到三層平臺梁安裝、四層平臺梁安裝。這種方案的優點在于地面拼裝，只需要搭設一定高度的施工操作臺就可以拼裝，費用低時間短，缺點在于需要設置臨時支撐胎架，拆除臨時支撐胎架時需要模擬分析變形，進行嚴格控制，判斷是否符合拆除的標準規范后在進行卸載，防止出現坍塌或傾覆。

通過對兩種方案進行優化和比較，考慮到現場施工占線長，施工組織難度大，分區分段施工，主要道路泥濘，雨季的現場交通運輸也有一定的影響，工期時間短等因素，最終選擇了施工方案二進行現場施工。在現場施工之前，在頂部鋼桁架的末端放置一組臨時支撐胎架。

2.2 設置臨時支撐

終點塔頂部鋼桁架的拼裝是整個結構中的重中之重，整個終點塔鋼結構安裝順序為倒裝。根據上訴所選方案進行施工安裝，主、次桁架進入現場后在胎架上拼裝成整體后進行吊裝，故桁架的拼裝精度尤為重要。終端塔頂部的鋼桁架高度高，質量大，懸臂端長度大，長度達16 m。為了保證結構整體的穩定性，頂部鋼桁架在吊裝就位的過程必須采用臨時支撐方案，在其末端設置一組臨時支撐胎架，作為固定點來進行施工安裝，等頂部鋼桁架安裝完成后再卸載臨時支撐胎架。經過計算，支撐胎架采用四根Q235 600 mm×15 mm直縫焊管，頂部橫梁采用400 mm×200 mm×8 mm×13 mm熱軋H型鋼，橫撐及斜撐采用300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm熱軋H型鋼，橫梁外側設置擋板，每根橫梁上部設置2臺50噸機械式千斤頂，共4臺，可作為桁架的輔助微調。臨時支撐桁架Revit模型如圖3所示。

圖3 臨時支撐桁架施工圖Fig.3 Construction drawing of temporary support truss

2.3 臨時支撐卸載

在拆除臨時支撐框架的過程中，不僅是臨時支撐框架移除的過程，而且是重新分配結構受力的過程。如果操作不當，就可能破壞整體結構的穩定性，所以準備工作中要選擇合適的卸載工藝及次序。

頂部鋼桁架末端處設置臨時支撐導致懸臂桁架的施工狀態與設計應力狀態不同。在具有臨時支撐的鋼桁架的情況下，其自身質量由端部鋼柱和支撐框架共享。頂部鋼桁架受自身重力的影響發生位移，桿件內力也隨之改變，引發變形。為了確保安全施工，在卸載前，按照之前的卸載思路，利用MIDAS設計軟件進行分析，模擬該工程頂部鋼桁架末端卸載臨時支撐胎架后的最大位移，確定卸載順序和步驟以確保施工安全。

根據工程結構的特點及階段施工模擬分析的結果，對于懸挑部位將按照同步的卸載思路進行拆除。單個卸載高度為5 mm，螺旋千斤頂用作主卸載工具[12]。通過千斤頂的升降，使結構按方案設計的行程回落，結構進入設計狀態。具體過程如下。

(1)根據支撐點的反力情況，選擇500 kN螺旋千斤頂作為主要卸載設備。

(2)每次下降千斤頂時，間隔大于10 min，以確保內力調整和結構構件之間的重新分配。

(3)為了控制卸載速度，規定每個旋轉螺旋千斤頂的半圈是卸載行程的控制單元。轉速控制在5 s內完成，等待檢測完成并在開始下一個動作之前重新獲取卸載命令。

(4)必須統一卸載，確保通信設備暢通并嚴格執行統一指令。

(5)在卸載過程中為了便于控制，根據卸載的位移值，在千斤頂的行程桿上標記每階段卸載完成的對應位置。

3 模擬分析

3.1 安裝過程

根據最終確定的吊裝施工方案，階段施工計算主要是針對懸掛鋼桁架的安裝進行階段施工模擬分析[13]，同時考慮臨時支撐點的布置和釋放對鋼結構安裝過程進行模擬計算，階段施工分析主要荷載為結構自重(分項系數1.35，組合系數1)及施工負荷(1.5 kN/m2，分項系數1.4，組合系數0.7)。

根據方案結構體系，結合總體安裝思路，第一階段在主桁架下弦端部下方設置一組支撐胎架，規格為600 mm×15 mm直縫焊管；第二階段將頂部桁架吊裝至設計標高處，本階段桁架吊車撤出后，桁架下弦與混凝土勁性柱由于尚未焊接牢靠，節點定義為鉸接；第三階段安裝核心筒周圍吊柱，此時桁架下弦與混凝土勁性柱由于已焊接牢靠，節點定義為剛接；第四階段預計桁架下弦核心筒處混凝土已達到設計要求強度，因此本階段撤除支撐柱。剩余的懸掛柱和第二層梁安裝在第五～第六階段；在第七階段，地板梁逐層安裝，直到安裝完成。

分析軟件使用空間結構設計軟件MIDAS進行施工過程的計算；材料力學機械性能如表1所示。

表1 材料參數Table 1 Material parameter

根據實際條件，選擇了MIDAS，該軟件較為成熟、易于操作，與其他軟件銜接方便。下面是使用MIDAS軟件模擬整個鋼結構的施工過程，為了更真實，更全面地反映施工過程，按照設計圖紙進行主要結構建模，對吊裝的施工過程進行準確模擬。終點塔鋼結構安裝順序如圖4所示。

3.2 模擬分析目的

(1)分析安裝、卸載整個施工過程中結構的安全性。

(2)通過計算分析數據，為施工過程提供參考和依據。

(3)對安裝完后的結構與原設計之間的差異進行評估，以確定安裝方案是否可行。

圖4 模擬安裝順序圖Fig.4 Sequence diagram of simulation installation

(4)為施工措施提供科學依據，如通過施工模擬來確定臨時支撐卸載的流程。

3.3 模擬分析內容

(1)根據鋼結構工程的施工方法和施工工序，檢查施工階段結構的強度、穩定性和剛度。

(2)施工階段的臨時支撐和措施按施工狀況的荷載作用，對構件進行強度、穩定性和剛度驗算。

(3)分析并計算臨時支撐的拆除順序和步驟。

(4)對吊裝狀態的構件或單元，進行強度、穩定性和變形驗算。

3.4 鋼桁架變形模擬分析

在工程屋面桁架構件，按設計要求主桁架預起拱40 mm，桁架最終下撓高度不得超過40 mm。監測點設在頂部鋼桁架的末端，做好標記，在卸載過程中進行全程監測，詳細記載過程中的相關記錄，保證數據的準確性、實時性和連續性。MIDAS模擬分析得到的下撓度數值，如表2所示。頂部鋼桁架末端下撓度為19 mm，符合規范及設計要求。卸載臨時支撐后的位移變形如圖5所示。

表2 模擬分析撓度Table 2 Simulation analysis of deflection

注：根據《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)，設計允許撓度Vt=l/400=40 mm，其中Vt為下撓度，l為懸臂段長度。

圖5 桁架自重位移圖Fig.5 Displacement diagram of truss with dead weight

4 模擬結果與現場實測結果的比較

4.1 現場監測

終點塔鋼桁架吊裝質量為150 t，頂部鋼桁架懸挑部分長度達到了16 m，且現場施工環境復雜，西北側有現場護坡，東南邊緊臨汾河，桁架設計高度為21.8 m，現場的施工高度超過25 m，給測點的設置帶來了很大的挑戰。經過比較分析，最終確定觀察點設置在桁架的支撐點上，并且必須標記每個測點，確保測量點在卸載前后處于相同位置，并在安裝和卸載主桁架之前用全站儀測量每個監測點的高程。在卸載之后，再次測量先前的觀察點，并且比較高度變化[12]，得出下撓度。結構監測點位置如圖6所示。

單位：mm圖6 結構監測點位置圖Fig.6 Position of structures monitoring point

在鋼桁架的支撐點設置觀察點，并確保測點在卸載前后處于相同位置。現場監測得到的實際下撓度數值如表3所示。

4.2 結果的比較分析

懸掛結構撓度對比分析如表4所示。通過軟件計算模擬結果與現場實測結果進行比較發現：在卸載過程中，桁架自重下沉數據一樣，模擬值和實測值均為7 mm；鋼柱、鋼梁安裝后模擬值比實測值小3 mm；兩組數據相差較明顯出現在混凝土澆筑完成后的位移量，模擬值比實測值小4 mm；幕墻安裝完成后下沉量一樣。同一支撐點的模擬值與實測值相差變化不大，結果相對接近，說明模擬方法中確定的卸載時間和卸載順序的合理性[14-15]。模擬值相對于實測值偏小，這主要是由于卸載過程中一些不確定的因素造成的：如卸載不充分，監測時終點塔內有堆積物沒有卸載完成，觀測時間受到夏天雨季影響，受到現場條件限制等。設計允許撓度值為40 mm，在整個施工過程中，模擬值與實測值均符合設計要求，證明了模擬的合理性。

表3 現場實測撓度Table 3 Field measured deflection

注：根據《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)，設計允許撓度Vt=l/400=40 mm。

表4 撓度對比分析Table 4 Comparative analysis of deflection

5 結論

太原二青會水上運動中心終點塔能夠落地的豎向構件較少，整體懸挑較大，施工難度大。為了確保施工安全和結構安全，以實際施工工藝流程為前提，用MIDAS軟件對懸掛結構的施工狀態進行了數值模擬。

(1)分析了頂部鋼桁架臨時支撐胎架的卸載過程，為卸載過程中的受力及鋼桁架的變形情況提供依據；并通過實測值與模擬值的分析比較，證明了模擬的合理性。

(2)以螺旋千斤頂作為卸載主要設備，易于控制頂部鋼桁架端部的變形情況，使用情況良好。

(3)工程模擬較為順利，成功將結構體系由施工狀態過渡到設計狀態，為其他類似懸掛結構的模擬及施工提供了借鑒。