某大跨復雜博物館鋼結構施工過程模擬研究★

王亞赫，翟宏波，李自冬

(1.中國十九冶集團有限公司，四川 成都 610100；2.中冶建工集團有限公司，重慶 400084)

大跨復雜空間鋼結構施工過程中由準結構向結構過渡過程中，受力情況復雜多變。準結構在施工和設計階段的邊界條件、荷載、結構形式有所不同，在處于施工階段時所遇到的力學問題多變復雜[1]。進行復雜空間鋼結構的建造施工時，某些荷載等逐級施加于非完整結構上，而其穩定性、承載能力尚未可知，其形態處于動態變化過程，邊界條件也與設計階段不同，在不同施工階段構件最大應力和位移也有所變化，故進行施工力學性能分析時，對保證復雜空間結構的施工安全非常必要。

學者們對復雜鋼結構施工過程進行了大量模擬分析。石開榮[2]對某高層鋼結構進行了施工全過程模擬，并在關鍵構件處進行施工監測，對比二者結果，得到施工過程模擬對實際工程施工及監測作用明顯。吳窮[3]以某網球中心為例，采用Midas按施工順序進行全過程分析，選取關鍵節點，將模擬與監測結果對比，驗證施工方案合理性。劉宜豐[4]對某展覽館進行靜力、復雜節點分析，表明節點對整體結構力學性能影響較大。郭彥林[5]提出對結構施工各階段內力和位移進行跟蹤計算，找出最危險階段并進行準確控制。劉繼澤等[6-7]對結構施工工藝進行研究，提出合理的分條分塊安裝方法，實現和其他構件的整體性拼接工作。李治[8]對某鋼結構屋蓋的施工進行模擬，得到鋼結構構件在施工全過程的應力大小，保證了施工過程中的安全性。閏淼等[9]運用ANSYS對某博物館的部分復雜節點進行了分析，為實際施工提供了更合理的節點設計。黃海[10]通過試驗研究了節點破壞模式及應變等，得到節點在最不利工況下的受力性能。

綜上所述，對于復雜空間鋼結構的施工過程以及施工可靠性分析至關重要。采用Midas Gen分析整體結構，利用ANSYS分析節點，對某復雜博物館鋼結構的力學性能、復雜節點在施工過程中的受力狀態、主館的施工過程及屋蓋分條分塊吊裝時應力、變形及穩定性進行分析，以期獲得結構在施工中最不利階段及施工過程中準結構的應力及變形發展規律，為類似工程施工提供建議。

1 整體結構力學性能分析

1.1 模型介紹

博物館主體外觀為倒錐體，主館地下1層，地上3層，博物館長約78 m，寬約54 m，建筑高度23.9 m，其三維模型見圖1。鋼構主要構件截面尺寸見表1。

表1 主要構件尺寸

整體結構計算模型梁柱均采用梁單元，樓面板及屋面板采用板單元，邊界條件為24個方鋼管柱底固接。恒載DL考慮鋼結構和附屬結構自重、樓板，屋面板及鋪裝自重。各展廳活荷載LL取值不同(見表2)，均以壓力荷載形式施加樓板面荷載。風荷載W轉化為節點載荷施加在橢圓弱軸方向。

表2 恒、活荷載標準值 kN/m2

1.2 模型驗證

主館抗震等級為四級，6度設防，場地類別為Ⅱ級，根據規范選取三條地震波進行分析。對模型進行特征值分析，選取博物館復雜空間鋼結構前三階振型進行分析，見表3。結構振型前兩階為平動，第三階為扭轉，說明主館結構具有良好的抗震性能，符合相關規范要求。

表3 振型參與質量

1.3 整體結構靜力性能分析

由于準結構在施工過程中其應力及變形存在不確定性，對結構的安裝過程進行跟蹤，確保施工方案可行[11]。當應力及變形超限時，應采取施工方案、調整吊點布局等調整，進而提高準結構施工過程中的穩定性，保證施工過程的安全。按規范對博物館主體結構在不同地震波下的應力時程進行分析，選取三種典型工況進行數值計算分析，荷載組合：1)標準荷載組合：1.3DL；2)基本荷載組合：1.5DL。荷載組合見表4。分析結果見圖2,圖3。

表4 工況計算統計

可知：1)工況一柱頂梁柱節點最大拉應力207.86 MPa，柱底最大壓應力為138.42 MPa，樓板中心最大撓度為50.52 mm；2)工況二柱頂梁柱節點最大拉應力237.52 MPa，柱底最大壓應力為150.9 MPa，主梁跨中應力較大約為130 MPa，樓板中心最大撓度為53.39 mm，考慮風載后其最大壓應力增加12.48 MPa，增幅為9%，其最大拉應力增大29.66 MPa，增幅為14%；3)工況三柱頂梁柱節點最大拉應力為213.89 MPa，柱底最大壓應力60.38 MPa，樓板中心處最大撓度為50.22 mm，考慮XY向反應譜時，結構最大拉應力較工況二降低10%，樓板中心最大撓度較前兩種工況均下降。

2 施工方案

2.1 設計參數

按照規范采用高空散拼法、分條分塊法進行施工[12]，主館的施工過程分為一層吊裝、二層吊裝、屋蓋吊裝和單根構件吊裝。屋蓋為橢圓形錐體，短軸向坡度為28%，長軸向坡度為19.09%，屋蓋懸挑梁最長為5.24 m。Y字形柱傾斜角度均為34.22°；斜柱短軸向對稱布置；中間直柱短軸向對稱布置；鋼梁均為H型。據場地條件將框架柱分為負一層至一層、二層至屋蓋兩段吊裝，斷開節點位于二層底1 m附近的位置。斷開后最長柱長16.7 m，9.5 t；最長梁長12.7 m，重4.2 t。

2.2 主館施工方案

主館施工時采用35 t汽車吊，對H型支腿進行4點支撐，縱橫跨5.75 m×7.2 m；伸縮臂架為五節臂，全伸臂長43 m，副臂長為16 m，主臂全伸起升高43.5 m，吊車帶副臂最大起升高59.5 m。吊車臂由高強度焊接結構鋼制成，截面為U形截面。其主鉤最大吊重為35 t，副鉤最大吊重為5 t。主館鋼結構吊裝流程為：底層第一節柱→二層主梁→二層次梁→第二節柱→三層主梁→三層次梁→屋面梁→收尾吊裝。起柱順序則為先中間起柱，后兩邊起柱，柱吊裝完成后，先吊裝短跨方向的主梁，再吊邊柱區域內的主次梁；柱及主梁吊裝完成后，需對所有柱進行測量復核，后進行次梁、外環梁的吊裝；主次梁及外環吊裝完成后，再對柱進行測量定位；屋蓋吊裝為按先主梁后次梁順序，最后吊裝外圍環梁，吊裝順序見圖4。

2.3 吊裝分區

依據施工條件，主館次梁吊裝順序分為12個吊裝塊見圖5。其中將1，2吊裝塊合并為吊裝區域一CS1；4,5吊裝塊合并為吊裝區域二CS2；6,7吊裝塊合并為吊裝區域三CS3；8,9吊裝塊合并為吊裝區域四CS4；10,11吊裝塊合并為吊裝區域五CS5；3,12吊裝塊合并為吊裝區域六CS6。

3 施工模擬計算

3.1 施工過程分析理論基礎

在結構設計中荷載為使用荷載，且結構形式是固定的，但施工是從無到有隨工程進行不斷變化的過程。施工過程狀況不定，在結構尚未形成整體剛度時，新安構件會對準結構產生影響，結構協同工作性差，若此時只按設計成型后的分析結果指導施工，無法保證施工過程中的安全可靠[13-14]。采用Midas Gen對主館準結構及不同吊裝塊進行受力分析，獲得吊裝過程中構件的應力及位移變化。

3.2 主館吊裝過程分析

采用有限元軟件Midas Gen的施工階段分析模塊模擬施工過程。對第一層準結構，恒載主要考慮結構自重；活載考慮施工設備、施工人員等荷載，轉化為均布梁荷載形式施加；風載轉化為節點荷載施加在準結構弱軸方向，柱底固接。對第二層準結構，除恒載、活載及風載外，另建立6個吊裝分區組及對應的荷載組。每個施工階段的模擬通過定義任意時刻荷載的施加與解除、單元的產生與消失以及邊界條件的變化來實現。施工階段一分析時只激活對應組一、荷載組一及邊界組；施工階段二分析時鈍化組一，激活組二，激活荷載組二，以此類推至最終施工階段CS6，且分析邊界組僅有一個即柱底固接，故僅在施工階段一的分析時將其激活。

對于屋蓋，采用高空散拼結合分條分塊吊裝法進行吊裝，其散拼法施工過程中對單根構件如Y柱、屋蓋等吊裝塊的吊裝進行分析。吊索采用只受拉桁架單元，材料Strand1860鋼絞線D=38 mm，抗拉強度標準值1 860 MPa；吊裝塊采用梁單元，邊界條件為吊索一端固接，另一端將RX,Ry,Rz的3個轉動自由度進行約束。

4 有限元分析結果

4.1 主體鋼結構施工過程

對主館結構施工全過程進行數值模擬分析，并將不同吊裝段分析得到的結果進行對比，為實際施工提供數據參考[15-16]。對準結構的最大拉(壓)應力及柱頂最大偏移分析結果見表5。最大壓應力出現在柱底部，最大拉應力出現在主梁與斜柱節點處，而最大偏移多出現在Y柱或斜柱柱頂。Y柱節點最大應力為136.30 MPa，柱頂最大偏移為33.40 mm，當Y柱發生偏移后，導致周邊外環梁、次梁出現偏移，需及時對柱進行校正。在一層吊裝過程中，從CS1至CS6準結構的最大拉(壓)應力總體呈正相關趨勢，最大拉應力達57.71 MPa，最大壓應力為49.10 MPa，二者相差14.9%?？梢娫诘跹b過程中拉壓應力接近相等，遠小于材料屈服強度。

表5 吊裝分區最大偏移及應力統計表

對于最大偏移，在負一層及一層CS2區為17.12 mm，在二層結構吊裝過程中為20.95 mm，在屋蓋吊裝過程中為38.3 mm。在二層結構及屋蓋吊裝過程中，發生在前四個吊裝分區中的柱頂最大偏移。柱頂最大側移隨吊裝樓層增加而增大，但均在層間位移限值范圍內，滿足吊裝施工精度要求。

在CS6區域吊裝時，由于外環梁屬于懸臂梁，且受自重影響會產生附加彎矩進而對結構造成不利荷載，使得柱頂最大側移略增大。在吊裝過程中二層結構最大拉應力為123.66 MPa，而屋蓋為79.36 MPa，相比前者降低了35.8%。說明在屋蓋吊裝時，主館整體框架受力體系已基本形成，在吊裝過程中拉壓應力趨于平衡。在二層CS5區域吊裝時在Y柱節點處最大壓應力-108.29 MPa，故應設置臨時支撐及纜風繩確保施工安全。

4.2 屋蓋分條分塊法吊裝分析

采用Midas Gen對屋蓋吊裝塊一、塊二進行數值分析，吊裝塊一、二分別采用六點吊裝和十二點吊裝，其應力、變形及吊索內力分析結果見圖6?？芍?，吊裝塊一最大應力為79.96 MPa，三角端部最大撓度為17.82 mm，吊索最大內力121.6 kN；吊裝塊二最大應力96.04 MPa，三角端部最大撓度為27.05 mm，吊索最大內力為9.6 t。說明采用分條分塊法對屋蓋進行吊裝具有可行性，在結構設計階段應重點驗算吊索的承載力。

5 結論

1)通過對整體結構力學性能分析，可知結構抗震性能良好。在吊裝全過程中，負一層至一層結構在CS2區域主次梁吊裝時發生最大偏移為17.12 mm，二層及屋蓋最大偏移分別為20.95 mm,38.3 mm。在施工階段中準結構最大拉壓應力接近相等，低于材料屈服強度，吊裝全過程中未超過層間位移限值，準結構在施工過程中處于安全狀態。

2)對Y柱節點、柱頂節點兩種復雜節點進行分析，得到在高空散拼法施工過程中節點處應力較大，在柱頂及梁的懸臂端處最易產生最大位移，在實際施工過程中應注意Y柱柱頂和鋼梁懸臂端處最易出現安裝誤差的累積。

3)在二層結構吊裝過程中構件最大拉應力為123.66 MPa，相比于屋蓋吊裝增大了35.8%，準結構拉應力增幅最大達60 MPa，柱頂最大偏移增幅最大達20 mm。二層結構施工時準結構的自穩定性最差，是吊裝全過程中最危險的階段，應加強安全保障措施，以確保施工安全。

4)柱底最大壓應力隨結構吊裝層數增加而增大，其值約20 MPa，在一層準結構吊裝過程中，柱底最大壓應力有明顯增大趨勢，而在二層及屋蓋吊裝過程中柱底最大壓應力變化趨于平穩。表明在施工過程中準結構的受力體系隨施工過程約束條件逐步趨于完善，自穩定性在逐步增強。