嘉興萬(wàn)科鄰里中心懸掛鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析*

沈海英，張瀟南

(浙江中南綠建科技集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

懸掛鋼結(jié)構(gòu)一般由豎向承重主構(gòu)架、吊件及懸掛鋼構(gòu)件組成。其中，承重主構(gòu)架可采用鋼筋混凝土核心筒或鋼結(jié)構(gòu)(鋼框架或鋼桁架等)，吊件一般采用高強(qiáng)鋼束或型鋼吊柱等，將懸掛鋼構(gòu)件與主構(gòu)架相連。懸掛部位荷載先傳遞至主構(gòu)架，再傳遞至基礎(chǔ)。Schueller[1]按照支撐結(jié)構(gòu)形式和吊掛方式的不同，將懸掛鋼結(jié)構(gòu)分為剛性筒式、張拉集成式及拉索桅桿式體系。劉郁馨等[2]將常見(jiàn)的剛性筒式懸掛鋼結(jié)構(gòu)細(xì)分為核筒式、框架式及拱形或懸索式結(jié)構(gòu)，核筒式懸掛鋼結(jié)構(gòu)是以中部落地核心筒作為建筑的主要承重結(jié)構(gòu)，在不同高度設(shè)置外伸結(jié)構(gòu)，并通過(guò)拉桿將各結(jié)構(gòu)層連接形成受力整體，其中，外伸構(gòu)件為受彎構(gòu)件，拉桿為受拉構(gòu)件，中部核心筒傳遞豎向荷載，為受壓構(gòu)件。由此可見(jiàn)，懸掛鋼結(jié)構(gòu)體系傳力路徑通暢，各構(gòu)件受力明確[3-4]，被廣泛應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等體系中[5-6]。

然而，懸掛結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中具有顯著的時(shí)變因素，受施工影響較大，因此需對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行分析。張坤等[7]采用MIDAS Gen軟件對(duì)中科院量子院巨型鋼框架-上部懸掛下部支承結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了全過(guò)程施工模擬，分析關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力與變形情況；石開(kāi)榮等[8]以珠海仁恒濱海中心項(xiàng)目為例，對(duì)臨時(shí)支撐的卸載敏感性進(jìn)行了研究；劉勇慶[9]對(duì)太原市水上運(yùn)動(dòng)中心終點(diǎn)計(jì)時(shí)塔進(jìn)行了吊裝過(guò)程模擬，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致。

本文依托嘉興萬(wàn)科鄰里中心項(xiàng)目，該項(xiàng)目未來(lái)展廳的屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)體系安裝采用支撐胎架和分區(qū)吊裝相結(jié)合的施工技術(shù)，待整體屋蓋鋼結(jié)構(gòu)拼裝完成后進(jìn)行整體卸載。采用MIDAS Gen有限元軟件對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，詳細(xì)計(jì)算分析了屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的桿件位移和應(yīng)力變化情況，以確保結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中不出現(xiàn)局部破壞，并保證施工結(jié)束后結(jié)構(gòu)處于設(shè)計(jì)位形狀態(tài)。

1 工程概況

嘉興萬(wàn)科鄰里中心項(xiàng)目位于嘉興市南湖區(qū)余新鎮(zhèn)漁里社區(qū)，東至余新鎮(zhèn)中心小學(xué)，南至張家橋港，西至五星路，北至市河，其服務(wù)于萬(wàn)科漁里未來(lái)社區(qū)，如圖1所示。

本項(xiàng)目地上未來(lái)展廳屋蓋為懸掛鋼結(jié)構(gòu)，標(biāo)高25.000～33.000m，鋼屋蓋平面尺寸為47.7m×47.7m，投影面積約1 310m2，外形為飛碟狀。本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)體系為核筒式懸掛鋼結(jié)構(gòu)，在中部核心筒頂部安裝巨型鋼桁架作為外伸結(jié)構(gòu)，通過(guò)吊桿與下層樓面結(jié)構(gòu)連接，形成完整的受力體系。屋頂懸掛鋼結(jié)構(gòu)由18榀半魚(yú)腹式雙層鋼桁架組成，通過(guò)環(huán)向構(gòu)件連接形成空間結(jié)構(gòu)，承受下部樓層荷載。鋼桁架通過(guò)中心圈梁與中部核心筒連接，將荷載傳遞至中部核心筒。屋蓋桁架通過(guò)18根鋼吊桿與下層樓層梁連接，保證下部樓層的荷載傳遞。未來(lái)展廳懸掛鋼結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。

2 屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)施工

2.1 施工方案

由于該屋蓋桁架最大懸挑長(zhǎng)度為20.6m，重約36.5t，桁架長(zhǎng)度較長(zhǎng)，不便于整體運(yùn)輸。結(jié)合以往類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，鋼桁架首先在工廠預(yù)制成散件，然后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)拼裝為整榀桁架。整體施工流程為：搭設(shè)臨時(shí)支撐→吊裝下部樓面梁→對(duì)稱吊裝屋蓋鋼桁架→安裝下掛鋼拉桿→拆除臨時(shí)支撐，進(jìn)行結(jié)構(gòu)卸載。本工程屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)為環(huán)形封閉結(jié)構(gòu)，故基于分區(qū)、對(duì)稱吊裝原則確定安裝方案，并考慮場(chǎng)地施工條件，將屋蓋鋼結(jié)構(gòu)對(duì)稱分為區(qū)域1～4，其中，區(qū)域1為按順時(shí)針?lè)较颉谳S所圍區(qū)域，區(qū)域2為按順時(shí)針?lè)较颌唷S所圍區(qū)域，區(qū)域3為按順時(shí)針?lè)较颌凇噍S所圍區(qū)域，區(qū)域4為按順時(shí)針?lè)较颉S所圍區(qū)域。吊裝順序?yàn)椋簠^(qū)域1→區(qū)域2→區(qū)域3→區(qū)域4，如圖3所示。施工區(qū)域的劃分可充分利用分區(qū)場(chǎng)地進(jìn)行桁架地面拼裝，便于吊裝，解決了施工場(chǎng)地不足的問(wèn)題。

2.2 施工流程

1)施工準(zhǔn)備

熟悉圖紙，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。基于運(yùn)輸噸位和尺寸，將構(gòu)件合理地分割運(yùn)輸單元，并在工廠進(jìn)行加工制作。

2)鋼構(gòu)件運(yùn)輸及堆放

確定構(gòu)件運(yùn)輸路線，構(gòu)件分批次、分類型運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，按照安裝順序進(jìn)行堆放。同時(shí)，在施工現(xiàn)場(chǎng)做好構(gòu)件防腐、防變形措施。

3)場(chǎng)地加固處理

為保證構(gòu)件組裝的精確性，防止構(gòu)件在組裝過(guò)程中由于胎架不均勻沉降導(dǎo)致拼裝誤差，需對(duì)拼裝場(chǎng)地進(jìn)行加固。基于260t履帶式起重機(jī)的吊重分析，需對(duì)其行走路線進(jìn)行加固。

4)臨時(shí)支撐胎架搭設(shè)

基于施工過(guò)程中胎架的受力情況，選擇格構(gòu)式支撐胎架進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝，如圖4所示。支撐胎架共分2段，第1段用于支撐樓面梁，待樓面梁施工完成后增高支撐胎架，用于支撐屋蓋鋼桁架。支撐胎架盡量布置于軸線位置遠(yuǎn)端，為施工過(guò)程中的樓面梁、鋼桁架提供支點(diǎn)，使其在施工過(guò)程中不作為懸臂構(gòu)件受力，減小樓面梁、屋蓋鋼桁架施工過(guò)程中的變形、應(yīng)力。

5)下部樓面梁吊裝就位

吊裝就位設(shè)備為260t履帶式起重機(jī)，樓面鋼梁采用兩點(diǎn)平吊，先安裝徑向鋼梁，再安裝環(huán)向連系構(gòu)件，按，，①～軸的順序安裝，在，軸軸線處通過(guò)環(huán)向連系構(gòu)件進(jìn)行焊接，形成樓面體系。鋼梁安裝時(shí)可先將腹板連接板用臨時(shí)螺栓進(jìn)行臨時(shí)固定，待調(diào)校完成后，更換為高強(qiáng)螺栓，并按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求進(jìn)行高強(qiáng)螺栓初擰、終擰及鋼梁焊接。

6)屋蓋鋼桁架吊裝就位

吊裝就位設(shè)備為260t履帶式起重機(jī)，屋蓋桁架采用四點(diǎn)平吊。將屋蓋桁架同樣分為施工區(qū)域1～4，施工順序?yàn)椋簠^(qū)域1→區(qū)域2→區(qū)域3→區(qū)域4。首先安裝4個(gè)施工區(qū)域分界軸線(②，⑧，，軸)鋼桁架，然后在每個(gè)施工區(qū)域逐次安裝內(nèi)部鋼桁架、內(nèi)部環(huán)向連系構(gòu)件，并在4個(gè)分界軸線處進(jìn)行焊接。鋼桁架安裝時(shí)可先通過(guò)臨時(shí)螺栓進(jìn)行臨時(shí)固定，待調(diào)校完畢后，更換為高強(qiáng)螺栓，并按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求進(jìn)行高強(qiáng)螺栓初擰、終擰及鋼梁焊接。

7)安裝鋼拉桿

將鋼拉桿與上層屋蓋鋼桁架、下層樓面鋼梁進(jìn)行連接，形成整體結(jié)構(gòu)，協(xié)同受力。

8)拆除臨時(shí)支撐

樓面梁、屋蓋鋼桁架及鋼拉桿施工完成后，進(jìn)行卸載。在臨時(shí)支撐上布置千斤頂，將結(jié)構(gòu)略微頂起，鎖緊后從兩邊抽出墊板。千斤頂緩慢回落至墊塊上，檢查結(jié)構(gòu)卸載情況，確認(rèn)無(wú)誤后按照相同步驟操作，直至結(jié)構(gòu)完全卸載，并與臨時(shí)支撐脫開(kāi)，此時(shí)將臨時(shí)支撐拆除。

9)安裝鋼筋桁架樓承板

將工廠加工完成的鋼筋桁架樓承板模塊單元吊裝就位，焊接豎向支座鋼筋和栓釘。

10)澆筑混凝土

在鋼筋桁架樓承板中澆筑混凝土，并養(yǎng)護(hù)成型。

3 屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程模擬

3.1 有限元模型及分析方法

為保證結(jié)構(gòu)施工安全，需對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分析結(jié)構(gòu)變形和桿件應(yīng)力比，為安全施工提供數(shù)據(jù)參考。

屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)材料全部選用Q355B鋼材，樓面梁和屋蓋鋼桁架均采用焊接H型鋼，屋蓋桁架連接采用型鋼拉桿。有限元模型中(見(jiàn)圖5)，樓面鋼梁和屋蓋鋼桁架采用梁?jiǎn)卧M，并根據(jù)實(shí)際情況賦予相應(yīng)的截面尺寸，鋼拉桿采用桿單元模擬，直徑為100mm。屋蓋受到中部核心筒和支撐胎架的約束，屋蓋與中部核心筒連接處約束x，y，z向的平動(dòng)自由度，與支撐胎架連接處約束z向平動(dòng)自由度。模型施工過(guò)程中，其他荷載未施加，暫時(shí)不考慮，僅考慮構(gòu)件自重荷載(含節(jié)點(diǎn)自重)，通過(guò)設(shè)定荷載放大系數(shù)(取為1.4)等效考慮施工附加荷載，保證施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全。

本次施工模擬分析采用MIDAS Gen有限元軟件施工階段分析功能的生死單元法實(shí)現(xiàn)[10-11]。首先建立屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)整體有限元模型并殺死所有單元；然后基于施工過(guò)程，逐步激活施工單元，進(jìn)行數(shù)值分析，獲得每個(gè)施工步狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布；最后施工完成，結(jié)構(gòu)所有單元全部被激活，獲得施工完成后的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布。為避免結(jié)構(gòu)發(fā)生大偏移現(xiàn)象，采用節(jié)點(diǎn)修正生死單元法抑制死單元的過(guò)大漂移[12]。

3.2 施工過(guò)程分析

基于施工方案，首先施工下層樓面鋼梁，間隔選擇其中8個(gè)荷載步，提取最大豎向位移和最大應(yīng)力比，如圖6所示。

由圖6可知，樓面鋼梁開(kāi)始安裝時(shí)，最大豎向位移和最大應(yīng)力比較小；隨著鋼梁的逐步安裝，最大豎向位移和最大應(yīng)力比逐步增加。安裝⑦軸鋼梁時(shí)(施工荷載步6)，最大豎向位移和最大應(yīng)力比達(dá)峰值，均發(fā)生在③軸鋼梁中部，這是因?yàn)棰堋掭S鋼梁未與中部核心筒連接，故該部分結(jié)構(gòu)自重由③軸鋼梁和⑦軸鋼梁承擔(dān)，③軸鋼梁懸挑跨度較大，承受較大的施工荷載。

在兩端鉸接的邊界約束下，鋼梁最大豎向位移和應(yīng)力均位于中部區(qū)域。施工荷載步6對(duì)應(yīng)的樓面鋼梁位移與應(yīng)力云圖如圖7所示，由圖7可知，鋼梁最大豎向位移為26.3mm，為鋼梁跨度的1.25/1 000；鋼梁最大應(yīng)力為61.9MPa，處于彈性階段。待樓面結(jié)構(gòu)合龍后(施工荷載步8)，形成結(jié)構(gòu)剛度，此時(shí)樓面結(jié)構(gòu)豎向位移和應(yīng)力略有減小。綜上所述，在樓面結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)豎向位移小，應(yīng)力均在彈性范圍內(nèi)，滿足施工要求。

待下部樓面結(jié)構(gòu)施工完成后，需進(jìn)行屋蓋鋼桁架施工。屋蓋鋼桁架施工分為32個(gè)荷載步，每個(gè)荷載步下的最大豎向位移和最大應(yīng)力比如圖8所示。

由圖8可知，施工過(guò)程中，兩端鉸接的屋蓋鋼桁架在自重荷載作用下，最大豎向位移和最大應(yīng)力比均較小，這是由于屋蓋鋼桁架作為懸掛鋼結(jié)構(gòu)，需將下部樓面等荷載傳遞至中部核心筒，故其結(jié)構(gòu)剛度較大，在較小的荷載作用下，變形及應(yīng)力均較小，滿足施工要求。

將吊桿依次與上層屋蓋和下層樓面梁連接，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)卸載，拆除臨時(shí)支撐，此時(shí)屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下的最大豎向位移為28.9mm，最大應(yīng)力為62.0MPa，如圖9所示。桿件應(yīng)力在彈性范圍內(nèi)，且有較大的安全儲(chǔ)備，滿足施工要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于嘉興萬(wàn)科鄰里中心項(xiàng)目，對(duì)屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行施工模擬分析，主要得出以下結(jié)論。

1)基于屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)環(huán)形封閉的結(jié)構(gòu)形式，制定了分區(qū)、對(duì)稱安裝的施工方案。

2)采用有限元軟件進(jìn)行施工全過(guò)程模擬分析，

結(jié)果表明，在屋蓋懸掛鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)變形較小，桿件應(yīng)力均在彈性范圍內(nèi)，且有較大的安全儲(chǔ)備，滿足施工要求。