頂部斜拉式跨河道多層鋼框架施工技術(shù)及模擬分析*

曲 揚，劉書冬，謝 波，邱 健，王文晉，程建軍

(中建八局第三建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210046)

0 引言

隨著我國建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼與索膜結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于會展中心等公共建筑，鋼-索混合結(jié)構(gòu)在體育場類的大跨度建筑中也已屢見不鮮[1-3]。隨著各類鋼-索混合結(jié)構(gòu)體系的逐漸涌現(xiàn)，施工吊裝順序、平面場地布置、傳力路徑轉(zhuǎn)換、拉索張拉工藝、過程變形控制及邊界條件轉(zhuǎn)換等施工關(guān)鍵問題成為研究重點[4-6]。此類結(jié)構(gòu)受力機制復(fù)雜、施工效應(yīng)顯著，為避免施工不當導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部損傷、剛度退化、變形過大甚至整體失穩(wěn)，合理的施工工藝、準確的模擬分析及科學的健康監(jiān)測，是保證施工安全的可靠手段[7]。

1 工程概況

西交利物浦大學太倉校區(qū)位于江蘇省蘇州市，項目整體呈環(huán)形分布，包括7幢U形教學樓單體、2幢圓形教學樓單體和1座體育館多功能廳，建筑面積27.25萬m2，總用鋼量達1.2萬t，如圖1所示。Y字形內(nèi)河道穿過校園，將教學區(qū)分為3塊，采用頂部斜拉式大跨度多層鋼框架結(jié)構(gòu)(簡稱“跨河連接體”)跨河道連接教學樓，如圖2所示。教學樓頂部為周長1 000m的圓環(huán)鋼結(jié)構(gòu)，將整個校園連為一體。

圖1 西交利物浦大學太倉校區(qū)效果

圖2 跨河連接體效果

2 中心擴展法施工工藝

2.1 結(jié)構(gòu)體系

跨河連接體結(jié)構(gòu)高30.6m，跨度為92.2m，柱距為38.8m，用鋼量達3 000t。結(jié)構(gòu)由4根φ2 100鋼管混凝土柱支承，下設(shè)2座22.8m×13.2m×3.6m大體積混凝土承臺作為剛性支座，上部結(jié)構(gòu)為3層鋼框架連廊，由16組高釩密閉鋼絲雙索吊掛，將樓層豎向荷載傳遞至支承柱，索長25m、直徑120mm。頂部為屋頂圓環(huán)鋼結(jié)構(gòu)，采用平面框架體系。結(jié)構(gòu)外立面均采用全玻璃幕墻圍護，頂部圓環(huán)采用漸變色鋁板包裹?？绾舆B接體兩側(cè)均設(shè)置變形縫，與兩側(cè)教學樓相互獨立[8]。

2.2 施工次序

由于兩側(cè)均為在施教學樓，受限于場地條件，跨河連接體鋼構(gòu)件最大吊重為60t，最長吊距為30m，因此，選用1臺250t履帶式起重機和2臺80t汽車式起重機配合吊裝。

中心擴展法施工次序如圖3所示。施工過程中，首先澆筑大體積混凝土承臺，形成支座，然后吊裝勁性支承柱，綁扎并澆筑柱間剪力墻。鋼框架吊裝階段，首先安裝核心區(qū)支撐胎架，在胎架基礎(chǔ)上自下而上逐層安裝核心區(qū)鋼框架直至屋頂圓環(huán)鋼結(jié)構(gòu)。完成核心區(qū)鋼結(jié)構(gòu)吊裝后，安裝懸挑段支撐胎架并自下而上吊裝懸挑段鋼構(gòu)件，實現(xiàn)鋼框架逐層擴展。吊裝過程中，對勁性支承柱關(guān)鍵梁柱節(jié)點進行鉸接處理。

圖3 中心擴展法施工次序

完成全部吊裝作業(yè)后，安裝斜拉索，采用5級對稱式循環(huán)張拉，即將斜拉索分為勁性柱內(nèi)、外側(cè)，張拉分為5級，每級拉力取設(shè)計索力的20%，每級張拉先同步張拉勁性柱內(nèi)側(cè)，再同步張拉勁性柱外側(cè)，以此循環(huán)張拉，確保拉索吊掛力均為對稱式加載，從而控制不對稱拉力引起的結(jié)構(gòu)傾斜。隨后進行胎架自然卸載，最終達到設(shè)計索力。最后鋪設(shè)并澆筑樓承板，完成關(guān)鍵節(jié)點剛接處理。

2.3 工藝效果

1)逐層擴展 將核心區(qū)鋼框架與懸挑段鋼構(gòu)件分開吊裝，即在核心區(qū)吊裝完畢后，吊裝機械逐步外退吊裝懸挑段，鋼框架實現(xiàn)逐層擴展安裝至設(shè)計位形的同時，最大程度地節(jié)省吊裝場地，減小吊裝半徑，節(jié)約機械投入。

2)循環(huán)擴展 采用5級對稱式循環(huán)張拉工藝進行斜拉索張拉，使索體拉力循環(huán)擴展張拉至設(shè)計索力，確保施工安全，提高安全冗余。

3)逐級擴展 斜拉索張拉后，鋼框架已吊掛并產(chǎn)生變形，此時關(guān)鍵節(jié)點為鉸接，可提前釋放節(jié)點次彎矩。隨著墻體、面層、幕墻等施工加載，建筑荷載逐級擴展至與拉索吊掛力接近，形成平衡狀態(tài)，此時鋼框架變形趨于水平、穩(wěn)定，再進行關(guān)鍵節(jié)點剛接處理，而后鋪設(shè)并澆筑樓承板，可提升成型質(zhì)量，減少開裂隱患。

3 施工過程模擬分析

3.1 計算模型

采用MIDAS對跨河連接體整體模型進行施工過程模擬分析，計算模型如圖4所示。采用ANSYS Workbench對拉索節(jié)點進行施工過程有限元模擬分析，實體模型如圖5所示。

圖4 跨河連接體整體模型

圖5 拉索節(jié)點實體模型

3.2 施工荷載

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》要求，荷載及各項系數(shù)取值為：構(gòu)件自重由程序自動計算，安全系數(shù)取1.1；施工活荷載按2.0kN/m2逐層考慮；構(gòu)件吊裝動力系數(shù)取1.3；內(nèi)力驗算時，恒荷載分項系數(shù)取1.3，活荷載分項系數(shù)取1.5。

3.3 邊界條件

為保證模擬分析的可靠性，將勁性支承柱納入整體模型中，柱下大體積承臺作為剛性支座考慮。跨河連接體兩側(cè)由于變形縫斷開，無支座約束。勁性支承柱關(guān)鍵梁柱節(jié)點在施加建筑荷載前為鉸接，而后轉(zhuǎn)為剛接。拉索節(jié)點實體模型中，鋼柱上、下端為固定端，錨具端頭施加張拉力。

3.4 結(jié)果分析

針對跨河連接體整體模型進行施工過程模擬分析，根據(jù)中心擴展法施工工藝，將施工過程劃分為38個施工步。計算結(jié)果表明，在斜拉索張拉前一施工步，鋼構(gòu)件應(yīng)力達到最大，為144.41MPa(見圖6a)，應(yīng)力比控制在0.5以內(nèi)，位于4層鋼梁處；斜拉索張拉后，傳力路徑轉(zhuǎn)換，鋼構(gòu)件最大應(yīng)力位于勁性柱處；在臨時支撐卸載施工步，結(jié)構(gòu)變形達到最大，為48.27mm(見圖6b)。應(yīng)力與變形均滿足規(guī)范要求。

針對拉索節(jié)點5級對稱式循環(huán)張拉過程進行有限元模擬分析，提取Von Mises應(yīng)力，如圖7所示。計算結(jié)果表明，耳板最大應(yīng)力為148.35MPa，位于耳板與鋼柱連接處，材料屈服強度為400MPa；銷軸最大應(yīng)力為263.12MPa，位于下孔銷軸與耳板連接處，材料屈服強度為785MPa，兩者應(yīng)力均小于其屈服強度，最大應(yīng)力比均控制在0.4以內(nèi)，應(yīng)力分布合理，且留有較多余量。

圖7 拉索節(jié)點應(yīng)力云圖(單位：MPa)

4 施工過程健康監(jiān)測

4.1 測點布置

為保證施工過程中及施工完成后運營期間結(jié)構(gòu)各種工作狀態(tài)滿足設(shè)計要求，準確評估其力學狀態(tài)和可能出現(xiàn)的損傷，需合理布置健康監(jiān)測的測點點位[9-11]。

由于跨河連接體結(jié)構(gòu)體系新穎，傳力路徑復(fù)雜，需對構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)變形、不均勻沉降及振動加速度等進行監(jiān)測，共布置260個測點，測點統(tǒng)計如表1所示。

表1 健康監(jiān)測測點統(tǒng)計

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

以典型斜拉索張拉力和索節(jié)點應(yīng)力的監(jiān)測結(jié)果為例進行評估分析，對比分析實測值與設(shè)計值，如圖8，9所示。結(jié)果表明，斜拉索分級張拉力與設(shè)計索力吻合度較高，卸載后相對誤差僅為3.7%，張拉過程中相對誤差控制在10%以內(nèi)；索節(jié)點應(yīng)力實測值普遍小于設(shè)計值，最大誤差達18%，這是由于有限元分析中采取了較保守的計算方法和本構(gòu)模型，高估了索節(jié)點應(yīng)力應(yīng)變。監(jiān)測評估結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與模擬分析基本吻合，索拉力可在結(jié)構(gòu)卸載后達到設(shè)計值，施工過程具備富足的安全儲備。

圖8 斜拉索分級張拉索力對比

圖9 索節(jié)點應(yīng)力對比

5 結(jié)語

1)針對頂部斜拉式大跨度多層鋼框架結(jié)構(gòu)，采用中心擴展法施工工藝進行施工，使鋼框架逐層擴展安裝至設(shè)計位形，斜拉索力循環(huán)擴展張拉至設(shè)計索力，建筑荷載逐級擴展加載至與吊掛力平衡，最終實現(xiàn)節(jié)約機械投入、提高成型質(zhì)量、確保施工安全的效果。

2)采用MIDAS對施工過程進行模擬分析，施工步按中心擴展法施工工藝劃分。構(gòu)件最大應(yīng)力為144.41MPa，結(jié)構(gòu)最大變形為48.27mm，構(gòu)件應(yīng)力比均控制在0.5以內(nèi)，具有富足的安全儲備。

3)采用ANSYS Workbench對斜拉索節(jié)點進行有限元分析，在5級對稱式循環(huán)張拉施工過程中，耳板最大應(yīng)力達148.35MPa，銷軸最大應(yīng)力達263.12MPa，最大應(yīng)力比均控制在0.4以內(nèi)，滿足施工安全性要求。

4)施工過程中，對鋼結(jié)構(gòu)吊裝和索體分級張拉進行健康監(jiān)測和評估。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程力學狀態(tài)與模擬分析基本吻合，斜拉索采用5級張拉可在結(jié)構(gòu)卸載后達到設(shè)計索力。