長安書院異形曲面鋼屋蓋施工過程模擬分析*

郭宏超，陳普政，王洪臣

(1.西安理工大學土木建筑工程學院，陜西 西安 710048；2.中國建筑西北設計研究院有限公司，陜西 西安 710018)

0 引言

建筑物成型過程中，結構剛度、幾何形狀、所承擔荷載及支座約束條件隨施工步驟不斷變化，施工順序的不同會導致承受荷載結構所處施工階段不同，不同應力、應變累計過程會導致結構在施工各階段應力、應變均不同[1-2]。在我國，有較多工程結構倒塌事故發生在施工期間[3], 如長沙市望城區自建房倒塌事故、“3.2”儲煤場棚化鋼網架倒塌事故和上海市長寧區1幢廠房“5.6”倒塌事故等，究其原因,相當比例是由未對施工方案進行計算和論證而冒險作業造成。

許多學者對施工方案進行過程模擬計算研究，秦廣圣等[4]對棗莊“石榴花”造型鋼結構進行施工設計一體化建模，對其安裝和卸載順序進行分析，確定結構強度、剛度在合理范圍內。張志偉等[5]對蘇州灣文化中心彎扭鋼飄帶不同卸載順序節點反力值進行分析，得出由中間向兩端卸載方案中應力變化幅值更小。王秀麗等[6]采用 MIDAS Gen有限元軟件對某大型體育館鋼結構工程進行施工全過程分析模擬，分析理論值與現場實測數據吻合較好。李志強等[7]對拉斐爾云廊屋蓋結構11號塔樓土建施工滯后鋁合金屋蓋問題提出了安裝和卸載臨時胎架不同順序的4種方案進行論證，并對每個方案應力、應變情況進行對比。郭彥林等[8]以國內外鋼結構工程為研究背景，提出一體化協同時變，從整體結構施工力學出發解決施工過程中的應力、應變問題。朱軍等[9]在西安北站鋼屋蓋施工過程中采用了一體化模型，并對邊安裝邊落架施工方案進行仿真分析，確保了施工過程中結構安全和穩定。

目前，國內外主要集中于網架結構屋蓋施工過程研究，對鋼屋蓋整體結構施工過程一體化模擬分析研究較少。參考國內鋼結構逆作法施工工藝[10-11]，對長安書院異形曲面鋼結構進行整體建模，分析逐層法和逆作法不同施工方案的整體結構應力、應變情況。

1 工程概況

1.1 項目概況

長安書院項目位于西安市灞橋區浐灞生態區核心區域，東臨灞河，北側毗鄰上莊灞柳小區，與全運會主會場西安奧體中心隔河相望，也是奧體中心門戶形象展示區的重要組成部分，效果如圖1所示。南北方向長約315 m，東西方向長約189m，建筑最高點為58m。網架結構屋蓋鋼結構按結構布置分為4個區域，如圖2所示。

圖2 網架結構屋蓋分區布置

屋蓋屬于雙層正交正放的曲面空間網架體系，整個曲面類似于球心向上的球面。網架結構主要由多種類型圓鋼管桿件組成，并與焊接而成的球形節點連接，四周采用懸挑結構收尾，角部懸挑部分可達22m。下部結構是由鋼管柱、鋼管混凝土柱、H型鋼梁、混凝土樓板組成的框架結構。以面積最大的D區網架結構屋蓋施工技術為例，對其施工工藝進行闡述。

1.2 施工及結構特點

長安書院結構主要特點如下：①網架結構屋蓋覆蓋面積大；②結構懸挑部分總長350m；③各類形式通高柱并存且數量多，空間布置復雜；④2層以上樓板開洞面積>50%，樓板不連續。根據項目實際情況，最終選取了分塊吊裝、輔以臨時胎架的施工方案。這樣的結構特點給施工帶來了很多挑戰，導致臨時胎架布置不規則，布置難度系數較大。

2 計算模型與施工方案

2.1 模型建立

1)對施工方案進行有限元模擬，分析施工過程中結構應力、應變。鋼結構框架梁、網架結構各桿件、框架柱和臨時胎架均設置為可受拉和受壓的梁單元，樓板設置為板單元，模型如圖3所示。

圖3 D區網架結構屋蓋有限元模型

2)鋼管柱和H型鋼梁強度等級為Q355B，鋼管混凝土柱為Q390B鋼管內填C60混凝土的組合材料，樓板混凝土等級為C35。

3)考慮結構自重及網架拼接作用，乘以1.2倍的放大系數，設定為恒荷載。選取50年一遇的風荷載基本值，折合到每個節點，取網架結構節點力為0.75kN，胎架和支承柱部分節點力為1～1.3kN。

2.2 結構施工方案

2.2.1逐層法施工

逐層法施工步驟為：施工第1層框架梁和框架柱→澆筑第1層樓板→施工第2層框架梁和框架柱→澆筑第2層樓板→施工第3層框架梁和框架柱→澆筑第3層樓板→施工第3層至網架結構屋蓋之間框架柱→澆筑鋼管混凝土柱內混凝土→在已完成的框架梁和框架柱上搭設臨時胎架→吊裝和拼接網架結構屋蓋(網架結構從北向南依次進行吊裝和拼接)→分6步從北到南逐批拆除臨時胎架→角部及四周懸挑網架結構就位。D區網架結構分區布置如圖4所示。

圖4 D區網架結構分區布置

2.2.2逆作法施工

逆作法施工步驟為：對鋼柱分節吊裝和安裝→澆筑鋼柱內混凝土→在地面搭設臨時胎架→分塊吊裝和拼接網架結構屋蓋，吊裝和拼接順序與逐層法相同→分6步從北到南逐批拆除臨時胎架→角部及四周懸挑網架結構就位→1層框架主、次梁和框架柱安裝→1層混凝土樓板澆筑→2層框架主、次梁和框架柱安裝→2層混凝土樓板澆筑→3層框架主、次梁和框架柱安裝→3層混凝土樓板澆筑。

3 模擬分析

3.1 臨時胎架頂部位移與軸力分析

對整體結構進行一體化建模，臨時胎架共54榀，通過“激活”和“鈍化”[12]臨時胎架單元模擬其建立和拆除。臨時胎架頂部最大側向位移和最大軸力變化及其分布情況分別如圖5，6所示(u(x1)為臨時胎架頂部最大側向位移，n(x1)為臨時胎架數量，f(n1)為臨時胎架頂部受到的最大軸力)。

圖5 臨時胎架頂部最大側向位移變化及分布情況

由圖5可知，逐層法方案中臨時胎架側向位移在施工的每個階段均大于逆作法方案，其中頂部最大側向位移為11.30mm，滿足規范要求。之所以臨時胎架側向位移偏差較大，是因為該部分胎架底部固定于框架梁跨中位置，框架梁受到臨時胎架集中作用力、周圍結構及自身重力作用發生微弱變形，由于臨時胎架高度較高，導致胎架頂部發生明顯變形，而采用逆作法時，臨時胎架固定于地面，所以頂部發生較小側向位移。由圖6可知，兩種方案中臨時胎架頂部軸力變化趨勢相同，說明兩種方案對臨時胎架頂部軸力影響不大。

圖6 臨時胎架頂部最大軸力變化及分布情況

3.2 網架結構屋蓋撓度與應力分析

網架結構屋蓋吊裝和拼接分為26個工序(工序CS1～CS26)，臨時胎架分為6步進行卸載(施工階段CS27～CS32)，CS33為網架結構角部懸挑部分就位階段。最大撓度和最大應力變化曲線如圖7所示(u(x2)為網架結構桿件最大撓度，σ(x)為網架結構桿件最大應力)。

圖7 施工過程中網架結構屋蓋最大撓度和最大應力變化曲線

由圖7a可知，兩種方案在網架結構施工過程中的最大撓度均不同，其中逐層法方案中網架結構安裝過程中最大撓度大于逆作法方案20.14%，主要由于固定在框架梁跨中的臨時胎架產生了較大頂部位移。網架結構最大撓度和最大應力均發生在卸載階段，其中逐層法方案中最大撓度為20.01mm，撓跨比為L/450，小于GB 50017—2017《鋼結構設計標準》中規定的撓跨比L/250。逐層法方案中角部懸挑部分就位時產生的最大撓度值為38.09mm，超過逆作法方案最大撓度8.39%，撓跨比為L1/315，小于《鋼結構設計標準》中規定的撓跨比L1/250。由圖7b可知，逐層法方案中網架結構最大正應力和負應力變化趨勢與逆作法方案基本一致，最大應力絕對值為88.70MPa，與相應規范進行對比，滿足規范要求。

3.3 框架柱柱頂位移及軸力分析

根據柱組成材料、截面類型、長度和所受荷載，選取12根柱作為代表柱，分析不同施工方案在各施工階段對柱頂側向位移的影響。施工過程中柱頂最大側向位移u(x3)如圖8所示。

圖8 施工過程中各柱柱頂最大側向位移

由圖8可知，逐層法方案中框架柱柱頂產生的側向位移均大于逆作法方案，且柱頂位移隨施工過程中的變化曲線更為劇烈，數據離散性較大，說明逐層法施工方案對框架柱柱頂位移影響較大。其中鋼管柱最大位移發生在逐層法方案中的Z54，為2.769mm，小于《鋼結構設計標準》中限值19 000/250=76mm，滿足規范要求，與逆作法施工方案中Z54最大柱頂位移相比，超過了209.73%。最大鋼管混凝土柱側向位移發生在逐層法方案中的Z36,為4.034mm，小于GB 50936—2014《鋼管混凝土結構技術規范》中限值13 800/300=46mm，超過逆作法方案中Z36柱頂側向位移724.87%。

框架柱柱頂最大軸力對比如圖9所示。由圖9可知，采用不同施工方案，施工過程中網架結構屋蓋對框架柱軸力影響不大，與相應規范計算得到的軸力進行對比，框架柱均滿足承載力要求。

圖9 框架柱柱頂最大軸力對比

3.4 框架梁應力、應變及樓板應力分析

逐層法方案中框架梁最大撓度及最大應力發生在網架結構屋蓋拼裝完成后、臨時胎架拆除前。逆作法方案中框架梁最大撓度及最大應力發生在最后施工階段。對其相應階段梁最大撓度、最大應力及樓板應力進行分析。

由圖10，11可知，逐層法和逆作法方案中框架梁最大撓度發生在3層樓板洞口處。

圖10 逐層法方案中框架梁撓度與應力云圖

圖11 逆作法方案中框架梁撓度與應力云圖

由表1可知，逐層法方案中框架梁最大撓度為15.49mm，對應結構撓跨比L3/456，小于規范限制L3/400。逐層法方案中最大壓應力相比逆作法增大18.49%，最大拉應力相比逆作法減小5.0%，與規范限值進行對比，均小于鋼材強度設計值355MPa。

表1 各施工方案中框架梁撓度及應力對比

逐層法和逆作法方案中樓板應力分布分別如圖12，13所示。通過對比可知，逐層法方案中樓板最大壓應力為6.42MPa，大于逆作法方案中樓板最大壓應力4.82MPa，增加33.20%。最大壓應力與規范限值進行比較，均小于樓板混凝土軸心抗壓強度標準值35.1MPa。

圖12 逐層法方案中樓板應力云圖(單位：MPa)

圖13 逆作法方案中樓板應力云圖(單位：MPa)

4 結語

1)采用逐層法和逆作法2種施工方案，在不同施工階段，網架結構屋蓋、框架梁、樓板和臨時胎架應力、應變最大值均能滿足規范要求。

2)對逐層法和逆作法2種施工方案中框架柱和臨時胎架頂部位移和軸力進行對比，發現逐層法施工過程中框架柱和臨時胎架產生的最大柱頂側向位移均大于逆作法施工方案，柱頂產生的最大軸力與逆作法施工方案差距不大。

3)通過對2種方案網架結構力學性能進行對比發現，逐層法方案中網架結構屋蓋在整個施工過程中最大撓度大于逆作法，主要原因是作用在框架梁跨中的臨時胎架頂部產生了較大側向位移。施工時應在臨時胎架上設置一定數量纜風繩，從而有效約束其側移。

4)由于臨時胎架建立在框架梁跨中，逐層法方案中框架梁產生的最大壓應力相比逆作法增大18.49%，樓板產生的最大壓應力相比逆作法增加33.20%，但最大拉應力相比逆作法減小5.0%。通過2種方案對比可知，逆作法施工方案結構受力性能更好。