大跨度鋼結構施工方案數字化仿真分析

張昊骕，張文學，張茜，裴彥軍

（中鐵建工集團有限公司，北京 100160）

1 引言

隨著社會的發展，我國建筑的體型外觀越來越追求多樣化，以體現時代的特征，展現都市的風貌[1]。近年來，我國大跨度復雜空間鋼結構得到了迅猛發展，各種先進的施工技術層出不窮、日新月異，加之現如今我國鋼材的產量、質量也已大幅度提升，鋼結構已經成為我國建筑領域的主力軍[2]。而同時隨著技術的進步，業主對施工進度及成本管控的要求也越來越高[3]。在這樣的市場需求下，工程數字化仿真分析技術的出現，為此類情況提供了切實可行的解決方案。

施工數字化仿真是利用計算機技術，建立數字模型，以計算機為工具，數字計算為手段，運用數字化的技術將建筑的物理信息拷貝到虛擬環境中，模擬被拷貝對象在現實環境中的行為，從而提高生產效率，節約生產成本，此為施工數字化仿真。施工數字化仿真已經將施工企業大舉進軍“工業4.0”的大門打開，數字化仿真由產品仿真、生產工藝流程仿真和運維仿真三大板塊組成，而本文側重的正是生產工藝流程仿真[4]。

2 工程概況

本工程為深圳市寶安區某公建項目，大連廊鋼結構采用鋼索斜拉橋的設計理念，整體鑲嵌于兩塔樓之間，并與塔樓上下結構脫開，兩棟主樓采用現澆鋼筋混凝土框架核心筒結構，大跨度連廊采用鋼桁架+斜拉索的組合結構。大連廊鋼結構分為上下兩道連廊，獨立形成空間立體桁架結構，大連廊鋼結構通過鋼梁及斜拉索與兩側核心筒結構相連。下層鋼連廊為7～12 層，標高為28.550～49.550 m（均為鋼梁頂標高），層高均為4.2 m，其中B 軸、F 軸立面為桁架結構體系，中間D 軸線立面為鋼架與斜拉索組合結構體系，跨度約45 m，斜拉索位于D軸，兩邊對稱設置3 道，上端固定在核心筒10 層、11 層、12層，穿鋼架結構向下斜拉至7 層結構上，鋼連廊在A 座核心筒向外最大懸挑為10.7 m，鋼連廊在B 座核心筒向外最大懸挑為8.78 m。上層鋼連廊為13～18 層，標高為53.750～74.850 m，層高均為4.2 m，其中B 軸、F 軸立面為桁架結構體系，中間D 軸線立面為鋼架與斜拉索組合結構體系，跨度約45 m，斜拉索位于D 軸，兩邊對稱設置3 道，上端固定在核心筒15 層、16 層、17層，穿鋼架結構向下斜拉至13 層結構上，鋼連廊在A 座核心筒向外懸挑分別10.7 m、6.15 m、2.25 m，鋼連廊在B 座核心筒向外懸挑分別8.78 m、7.34 m。連廊鋼結構構件主要規格為焊接H 型鋼構件和焊接箱型構件，材質主要為Q355B。

3 數字化仿真分析思路

由于在施工過程中，還沒有形成穩定的受力體系，施工階段荷載與設計階段荷載差距較大，需通過施工過程的仿真分析確定在施工過程中各個結構主體構件的受力情況，以及胎架支撐體系的安全儲備情況。通過Midas Gen 有限元分析軟件施工仿真模塊，建立模型來模擬施工過程中的施工順序、支座約束條件、邊界條件變化情況、荷載加載情況，使理論分析過程盡可能地貼近實際施工情況。綜合項目部提供的分段點位置，經過多次分析比對后對分段點進行優化，最終得出最優的加載順序。根據施工全過程仿真分析的結果，確定胎架底部最大反力，后將該反力值代入設計提供的YJK 模型中，對胎架支撐部位進行校核。胎架支撐部位示意圖如圖1所示。

圖1 胎架支撐部位示意圖

4 大連廊安裝方式

本工程采用由下到上逐層高空散拼方式進行大連廊施工。經分析，大連廊結構無法滿足塔吊單機吊裝的構件要求，可在拼裝投影位置架設臨時支撐，待構件連接后，拆卸臨時支撐。本工程大連廊采用“借助臨時支撐高空散拼”方式安裝。

經前期與項目部溝通，該項目部所屬公司租賃站存有一批閑置的整體式塔吊標準節，材質為Q235B，為使閑置資源再利用，控制施工成本，節約施工費用，將這部分塔吊標準節用于搭設胎架。如圖2所示。

圖2 支撐胎架示意圖

拼裝胎架架設于±0.000 m 處地下室頂板、頂梁及兩側裙房5 層頂柱頭、頂梁上，胎架生根部位優選為地下室頂板柱頭，次選地下室頂主框架梁上，連廊鋼結構分段點未與胎架支撐點重合，需在以上布置支撐胎架上放置雙H 型488 mm×300 mm×11 mm×18 mm 分配梁，分配梁上對應連廊主體結構分段點的位置設立φ400 mm×12 mm 圓鋼管支撐短柱；胎架底部布置H 型390 mm×300 mm×10 mm×16 mm 底座，用于將胎架底部豎向荷載分散傳遞至地下室頂板上，上述臨時措施材質均為Q235B。

5 施工全過程數字化仿真分析

5.1 設計荷載

荷載布置分為兩類情況，第一類荷載情況是為了驗證在施工過程中每一個施工步驟在持續加載下，結構本身以及臨時施工措施的安全性，僅考慮結構自重、0.5 kN/m2的施工活荷載及0.75 kN/m2的基本風壓；第二類是為考慮鋼梁預起拱，需在所有施工步驟模擬結束后，單獨增加一個工況，對其施加恒載標準值+0.5 倍活載標準值[5]，荷載取值通過該項目設計單位提供的盈建科軟件計算模型讀取。節點荷載按20%恒載考慮，合計1.2 倍構件自重；施工過程仿真分析不計地震載荷作用。

荷載組合分為：基本組合（1.3 倍恒載+1.5 倍活載）和標準組合（1.0 倍恒載+1.0 倍活載）。

從設計院提供的計算模型中提取荷載，計算鋼連廊桁架的預起拱值：考慮鋼結構自重、組合樓板自重；考慮樓面做法荷載2.2kN/m2，屋頂覆土20 kN/m2，幕墻荷載7 kN/m；考慮樓面活荷載（0.5×2）kN/m2。

5.2 計算工況假定

工況假定：鋼結構連廊施工時地下結構、核心筒、6 層以下混凝土結構強度達到100%。

該項目施工仿真分析運用Midas Gen 仿真分析計算軟件，按照實際施工次序，對空中連廊進行建模分析。

5.3 主要結果及結論

通過Midas Gen 有限元分析軟件計算，得出各個施工工況下主體結構、預應力拉索、臨時施工措施等的軸力、彎矩、應力、變形、支座反力數據，對所有數據進行整理分析，判斷危險點位置，在施工過程中對其監測，以保證安全。

經對計算結果進行分析判斷，對臨時支撐胎架來說，綜合所有施工過程工況來看，變形最大位置為第二排支架最北側懸挑分配梁端部；最大應力240.8 N/mm2，位置為第三排支撐胎架H 型390 mm×300 mm×10 mm×16 mm 田字形頂座。

通過ABAQUS 軟件對此部分建立殼單元進行實體仿真分析，該田字形頂座上架設雙H 型488 mm×300 mm×11 mm×18 mm 分配梁，對田字形底座腹板上兩側，雙拼工字鋼腹板正壓部位各設12 mm 厚加勁板一塊。經上述計算分析，應力、長細比均滿足規范要求。

綜合B 軸/F 軸鋼桁架下撓值與D 軸因拉索張拉的反拱值，確定B 軸/F 軸鋼桁架預起拱按圖3 執行。

圖3 B軸/F 軸鋼桁架預起拱值

6 施工支撐胎架對既有結構的影響

取Midas Gen 計算分析得出的各支撐胎架支撐反力最大值Pmax（考慮結構及節點重量、0.5 kN/m2施工載荷、當地規范風載，未計地震）得出胎架底部反力標準值，代入設計院提供的盈建科計算模型（模型中反力按Midas 輸出結果填入，面荷載按施工過程中恒荷載、活荷載按2kN/m2設置，原模型中其他載荷不予考慮，基本組合采用1.3 倍恒載+1.5 倍活載）進行計算，與設計院提供的施工圖配筋面積核對，部分混凝土梁不滿足承載需求，需采取臨時加固措施，加固措施為在5～6 層間增設臨時圓鋼管柱和混凝土梁鋼筋配置調整相結合。

混凝土結構經增加配筋后也均滿足規范要求，滿足承載要求。

7 結語

對于本項目而言，大跨度鋼結構的最不利狀態時常發生在施工過程中，所以進行施工過程中要進行關鍵步驟的計算，對關鍵部位關鍵結構構件進行加強很有必要[6]。同時，施工全過程仿真分析的意義在于：一是在鋼結構施工過程中保證吊裝、焊接等的安全，二是選擇經濟安全的施工方式，并驗證它的可靠性。

由此可見，數字化仿真技術應用會切實為施工企業在生產過程中帶來許多實際的好處，在施工企業數字化轉型過程中將發揮巨大的作用，使企業通過靈活高效的方式，縮短施工周期、節約人力、物力成本，持續保持市場競爭力。