大懸挑SRC空間桁架結構施工全過程力學特性分析

陳兵章

(中鐵二十一局集團第二工程有限公司 甘肅蘭州 730000)

1 引言

研究大懸挑SRC空間桁架結構施工過程必然涉及施工力學，相較而言，施工力學在土木工程理論上屬于較為前沿的學科方向[1－2]。

針對鋼管柱、鋼板剪力墻容易在達到極限承載力前發生局部屈曲，為提高鋼板的平面穩定能力，於立雄[3]采用ABAQUS對縱凸筋板在鋼結構中的應用可行性進行分析探討。Noor等[4]提出了幾何非線性和材料非線性空間桁架在組合荷載作用下失穩分析的簡化方法和計算步驟。Blnimeiri等[5]充分考慮混凝土長期使用性能，提出了鋼筋混凝土柱、墻體及混合結構體系的長期使用性能預測方法。以金建鐵路新安江特大橋(112＋216＋112)m部分斜拉橋為研究對象，包藝[6]對其總體設計、主要技術標準、橋梁主體上部結構設計及下部結構設計進行闡述，對其整體力學性能進行全面分析。Kozy等[7]研究了管桁架結構承載破壞的極限狀態。王光遠[8]系統介紹了時變結構力學，并提出時間凍結方法。郭彥林等[9]提出關于大型復雜鋼結構施工力學問題的求解思路及分析方法。Pan等[10]研究了高層混凝土結構豎向構件的收縮變形問題。張建華等[11]以某索穹頂結構為例，通過考慮結構時變效應，對該結構進行施工全過程跟蹤分析。薛亦聰等[12]提出了基于強度疊加法的SRC短柱受剪承載力計算模型。

綜上所述，大懸挑SRC空間桁架結構分析的難點在于沒有更多的前例及經驗可以依照，每個結構都要進行專門的施工方案設計，且目前研究多集中于新型結構模型試驗。本文將從實際出發，采用“生死”單元法，利用有限元軟件對結構的施工過程進行模擬分析，得到結構在施工過程中的力學響應，進而起到指導結構施工、保證結構安全性的作用。

2 分析模型及施工方案

2.1 工程概況

廣東省某市規劃展覽館項目總建筑面積為15 992.77 m2，地下一層、地上二層，建筑總高度23.2 m。建筑物在北側屋面最大懸挑長度24 m，南屋面最大懸挑長度15 m。懸挑結構主要采用鋼桁架結構，有HJ1、HJ2、HJ3及HJ4四種類型。本工程采用型鋼混凝土結構＋局部鋼結構及鋼筋混凝土構件的混合結構形式，主體墻混凝土強度等級為C60，其余構件均采用C35混凝土，鋼材材質Q345B。二層梁采用型鋼混凝土構件，屋面梁采用鋼結構構件。

2.2 數值模型

(1)幾何模型建立

采用有限元軟件對項目進行1∶1幾何模型構建，涉及的截面類型共50種。

(2)單元選取及材料參數

按照結構及分析的特點，本模型梁、柱采用Beam189單元，樓板采用Shell181單元，混凝土采用的強度等級為C35，鋼材采用Q345B。臨時支撐體系采用Link180單元，均采用0.6×0.6 m截面形式，立柱鋼管采用?102×5型號，腹桿鋼管采用?60×3型號。

(3)邊界條件及荷載

本模型柱腳端均采用剛性邊界，南向梁端采用約束橫向、縱向平動自由度及橫向轉動自由度的邊界。根據?建筑結構荷載規范?(GB 50009—2012)，通過對比計算，本文使用以可變荷載效應控制的組合進行分析。

2.3 施工方案模擬

本結構共劃分為10個施工階段進行數值分析，擬定A、B兩個施工方案。通過對內力(軸力、彎矩及剪力)、應力等數值模擬結果對比分析，得出最優方案。兩種方案具體施工順序見表1。

表1 兩種方案施工順序

3 結構全過程施工力學特性分析

選取二層梁、結構柱、HJ3及HJ4桁架、屋面梁作為分析對象，分階段研究各個對象施工力學特性。限于篇幅，本文僅給出二層梁內力圖，方案A和B由于HJ4桁架與屋面梁在內力方面無明顯區別，故不再贅述。

3.1 軸力

按照A、B兩種施工順序對結構軸力進行對比分析，兩方案區別主要體現在施工階段CS3～CS6之間。

(1)二層梁軸力

基于有限元數值分析結果，將A、B方案的二層梁各階段軸力最值進行匯總，如圖1所示。

圖1 二層梁軸力變化曲線

由圖1可看出，二層梁軸力總體分為兩階段:在CS7之前，其軸向拉壓力較小，數值變化量小；在CS7階段，軸力明顯增大，這是由于樓板施工的影響，其后表現較為平緩，數值變化量小。對比方案A、B二層梁軸力最值，數值表現并不明顯，可以認為兩方案并無明顯的優劣之分。

(2)結構柱軸力

基于有限元數值分析結果，將A、B方案的結構柱各階段軸力最值進行匯總，方案A和B結構柱軸拉力隨著施工的進行其數值基本保持不變，而軸壓力基本上呈現隨著施工的進行數值逐漸增大的趨勢。相較方案B，方案A軸壓力對應不同施工段的最值明顯較小，在 CS5時兩者相差最大，差值為163.775 kN，最大優化效果為16.68%(優化效果是指對應施工段處內力差值與較大值的比值，下同)，因此，就結構柱軸力而言方案A更優。

(3)桁架HJ3軸力

基于有限元數值分析結果，將A、B方案的桁架HJ3各階段軸力最值進行匯總，桁架HJ3軸力最值總體呈現隨施工段的進行有增大的趨勢。因兩方案針對桁架HJ3施工無對應的施工段進行對比，且兩方案軸力最值的初始值相差不大，因此，兩種方案也視為無優劣之分。

通過以上研究，對比方案A、B可發現，方案A軸力圖線總體上表現更為平緩，說明方案A的施工順序更具合理性，且結構柱軸力最值有明顯差異，表現為方案A更優，其最大優化效果為16.68%。因此，就結構軸力表現而言，方案A更優。

3.2 彎矩

(1)二層梁彎矩

基于有限元數值分析結果，將A、B方案的二層梁各階段彎矩最值進行匯總，如圖2所示。

圖2 二層梁彎矩變化曲線

由圖2可看出，二層梁彎矩最值總體呈現隨施工段進行而逐漸減小的趨勢。對比方案A、B，在相應的區別施工段處，方案A相比方案B其彎矩最值明顯更小，在 CS5時兩者相差最大，最大差值46.090 kN˙m，最大優化效果為15.17%。因此，就二層梁彎矩而言方案A更優。

(2)結構柱彎矩

結構柱彎矩最值總體上呈現隨著施工段進行而逐漸減小的趨勢，且施工段內，其彎矩最值變化量較小。方案A最值明顯較小，在CS5時兩者相差最大，最大差值為38.604 kN˙m，最大優化效果為28.08%。因此，就結構柱彎矩而言方案A更優。

(3)桁架HJ3彎矩

桁架HJ3彎矩最值總體上呈現隨施工段進行逐漸增大的趨勢，在CS9～CS10間較陡，說明屋面梁、柱的施工對其正彎矩最值影響較大。對比方案A、B，兩者負彎矩初始最值相差不大，正彎矩最值差值為76.209 kN˙m，兩者在CS5處最值相差較大，負彎矩最值相差68.258 kN˙m，正彎矩最值相差62.342 kN˙m。綜合考慮，就桁架 HJ3彎矩最值而言，方案A更優。

通過方案A、B對比發現，二層梁、結構柱其彎矩最值均表現為方案A更優，其中，二層梁、結構柱最大優化效果分別為15.17%、28.08%，桁架HJ3最大初始差值為68.258 kN˙m。因此，就結構彎矩而言，方案A更優。

3.3 剪力

(1)二層梁剪力

基于有限元數值分析結果，將A、B方案的二層梁各階段剪力最值進行匯總，如圖3所示。

圖3 二層梁剪力變化曲線

通過圖3可以看出，二層梁剪力最值隨著施工段的進行變化量較小，正負值相近，圖線近似關于橫軸對稱，說明結構在施工過程中受力合理。在相應的區別施工段處，方案A相比方案B其剪力最值明顯更小，在CS5時兩者相差最大，最大差值47.819 kN，最大優化效果為15.07%。因此，就二層梁剪力而言方案A更優。

(2)結構柱剪力

結構柱剪力最值總體上隨施工段的進行有略微減小的趨勢，變化量總體不大。在相應的區別施工段處，方案A相比方案B剪力最值明顯更小，并在CS5時兩者相差最大，最大差值3.970 kN，最大優化效果為27.34%。因此，就結構柱剪力而言方案A更優。

(3)桁架HJ3剪力

桁架HJ3剪力最值總體上呈現隨施工段的進行而逐漸增大的趨勢。對比方案A、B，兩者負剪力初始最值相差不大，正剪力初始最值相差明顯，差值為28.587 kN。兩者在CS5處最值相差較大，負剪力最值相差9.664 kN，正剪力最值相差9.287 kN(方案A較大)。綜合考慮，僅就桁架HJ3剪力最值而言方案B較優。

通過方案A、B對比發現，圖線整體表現較為平滑，說明其施工順序具有合理性，且二層梁、結構柱剪力最值均表現為方案A更優，其中，二層梁、結構柱最大優化效果分別為15.07%、27.34%。僅桁架HJ3表現為方案B較優，考慮到桁架HJ3總體剪力最值較小，對整體結構的影響相對較小，因此，就結構的剪力表現而言，方案A更優。

3.4 應力

基于有限元數值分析結果，將A、B方案結構各階段應力的最大值進行匯總，如圖4所示。

圖4 結構應力變化曲線

通過圖4可以看出，結構應力最大值為28.3 MPa，根據?鋼結構設計標準?(GB 50017—2017)，小于應力限值215 MPa，結構安全性滿足要求。應力比為0.132，說明結構受力儲備大，安全度大。對比方案A、B，在相應的區別施工段處，方案A相比方案B其應力最值明顯更小，并在CS4時兩者相差最大，最大差值1.3 MPa，最大優化效果為14.13%。因此，就結構應力而言方案A更優。

綜合對各研究對象內力、應力進行分析，并通過對方案A、B的對比，無論是內力、應力均表現為方案A更優。因此，應采取方案A對結構進行施工。

4 結論

(1)分析對象的軸力、彎矩、剪力、應力最值總體上均呈現隨著施工段的進行逐漸增大的趨勢，僅局部存在不遵循該規律的情況，主要考慮為各施工段中臨時支撐及樓板施工的影響。

(2)從結構整體角度出發，對內力進行了匯總。結果表明:軸力正負最值分別在桁架HJ4、結構柱處產生，彎矩正負最值分別在屋面梁、二層梁處產生，剪力正負最值均在二層梁處產生，應力最值產生于桁架HJ3處。上述結構應在施工過程中重點關注。

(3)通過對比方案A、B對其進行優選，對于結構軸力而言，方案A更優，其中，結構柱最大優化效果為16.68%；對于結構彎矩而言，方案A更優，其中，二層梁、結構柱、最大優化效果分別為15.17%、28.08%，桁架HJ3最大初始差值為68.258 kN˙m；對于結構剪力而言，綜合考慮為方案A更優，其中，二層梁、結構柱最大優化效果分別為15.07%、27.34%；對于結構應力而言，方案A更優，最大優化效果為14.13%。可見，應采取方案A對結構進行施工，對保證施工安全有利。