某場館大跨空間鋼桁架連廊施工過程模擬分析

鄧星河 焦偉豐 黃躍林 吳振明 劉為龍 王峰

摘要：大跨空間鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，不確定因素多，施工方案的合理性和施工過程的安全性十分重要。文章采用MIDAS Gen對(duì)嘉興市文化藝術(shù)中心大跨鋼桁架連廊進(jìn)行了施工全過程模擬，分析了各施工階段桁架的位移與應(yīng)力狀態(tài)，并依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)置了相應(yīng)的監(jiān)測方案，以確保施工過程的安全。通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證了施工方案的可行性和準(zhǔn)確性。

[作者簡介]鄧星河（1980—），男，本科，高級(jí)工程師，國家一級(jí)注冊(cè)建造師，主要從事建筑施工工作。

空間鋼結(jié)構(gòu)由于其外形可塑性強(qiáng)，跨越能力卓越，多用于體育場館、文化藝術(shù)中心、展館等空間需求較高的城市建設(shè)項(xiàng)目，且隨著建筑使用要求、功能的提高以及建筑外形的多元化，鋼結(jié)構(gòu)形式更趨于復(fù)雜化，對(duì)結(jié)構(gòu)施工方案制定、施工控制以及運(yùn)營狀態(tài)的評(píng)估都提出極大挑戰(zhàn)。尤其在施工階段，由于結(jié)構(gòu)規(guī)模較大、設(shè)計(jì)復(fù)雜，易造成施工難度大，迫使施工中常需借助輔助支撐手段進(jìn)行分階段施工，而此時(shí)結(jié)構(gòu)尚未形成完整的受力體系，導(dǎo)致施工過程易出現(xiàn)安全隱患。因此，對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全過程模擬尤為重要，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)施工方案和監(jiān)測方案的合理性與準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估是十分必要的，直接影響整個(gè)施工過程的安全性[1-7]。

1 工程概況

嘉興市文化藝術(shù)中心地上共有3棟鋼框架主塔樓（美術(shù)館、劇場、圖書館），形似三葉草，如圖1所示。每棟鋼框架塔樓均為5層（夾層1層），結(jié)構(gòu)高度28.6 m，建筑高度37.8 m，彼此通過大跨鋼桁架結(jié)構(gòu)形式的連廊實(shí)現(xiàn)連通，每座連廊共布置縱橫11榀桁架，桁架最大跨度為36.3 m，高度5.35 m，采用焊接H形鋼截面，最大截面尺寸為H700×300×20×40，單榀重約32.5 t，材質(zhì)為Q345GJB，鋼桁架連廊平面布置如圖2所示。

2 空間鋼桁架連廊施工方案

由于工程中3個(gè)鋼桁架連廊所采用的施工方案一致，此小節(jié)以其中一個(gè)鋼桁架連廊（美術(shù)館與劇場間）為例展開描述。因鋼桁架連廊跨度大、桿件尺寸大、高空焊接施工，故采用工廠預(yù)拼、現(xiàn)場高空散裝的方式進(jìn)行安裝，并在安裝前搭設(shè)臨時(shí)輔助支撐，整體結(jié)構(gòu)成型后的安全卸載也是本工程的重難點(diǎn)。因此，施工方案由拼裝施工方案和卸載施工方案2部分組成，具體的施工順序?yàn)椋喊惭b下弦平面—安裝豎腹桿、上弦、斜腹桿—安裝縱向聯(lián)系桁架、次梁—拆除臨時(shí)支撐—樓板澆筑。

2.1 拼裝施工方案

大跨鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)的安裝進(jìn)程細(xì)分步驟如表1所示。

2.2 卸載施工方案

為了最大程度地保障安裝時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性，整個(gè)安裝過程借助臨時(shí)支撐（圖3），在結(jié)構(gòu)安裝完成后須對(duì)其進(jìn)行拆除，此步一般稱之為卸載階段。本工程大跨鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)的卸載順序如圖4所示，先拆除最外側(cè)支撐，后從外向內(nèi)對(duì)稱拆除內(nèi)側(cè)3排支撐，共分4步。

3 施工過程模擬

3.1 模型介紹

采用有限元分析軟件MIDAS對(duì)鋼桁架連廊進(jìn)行施工全過程模擬，以美術(shù)館與圖書館之間的鋼桁架連廊為例，進(jìn)行建模分析。連廊中的桁架桿件、次梁以及主結(jié)構(gòu)的立柱均用梁單元模擬，彼此連接節(jié)點(diǎn)為剛接;組合樓板用板單元進(jìn)行模擬，與結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛接以模擬剛性樓板;連廊與主體結(jié)構(gòu)立柱相連，模型取至下層柱底，忽略主塔樓與立柱的相互作用，立柱底部設(shè)為固結(jié)，接近實(shí)際工況。通過在臨時(shí)支撐布置點(diǎn)增加或消除約束條件以模擬臨時(shí)支撐拆除前后的不同工況。施工過程中無其他額外荷載作用，故荷載僅考慮結(jié)構(gòu)自重，并乘以1.4的安全系數(shù)。

根據(jù)鋼桁架連廊的施工方案，可分為6個(gè)工況進(jìn)行施工模擬：

（1）工況一：鋼桁架下弦全部拼裝完畢（拼裝施工方案第一步）。

（2）工況二：鋼桁架結(jié)構(gòu)全部拼裝完畢（拼裝施工完成）。

（3）工況三：拆除支撐階段一完畢（卸載施工方案第一、二步）。

（4）工況四：拆除支撐階段二完畢（卸載施工方案第三步）。

（5）工況五：拆除支撐階段三完畢（卸載施工完成）。

（6）工況六：組合樓板澆筑完畢（鋼桁架連廊施工完成）。

工況1～工況6的有限元模型如圖5所示。

3.2 模擬結(jié)果

各種工況下模擬得到的豎向位移如圖6所示。圖中結(jié)果顯示，工況一的最大豎向位移為18.77 mm;當(dāng)所有構(gòu)件拼裝完成后（工況二），最大豎向位移增大至18.85 mm，且與工況一發(fā)生在同一榀桁架的下弦。因有支撐作用，豎向位移最大的桁架撓度容許值L/400[8]為45.38 mm，此外，拼裝施工完成后，結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下的最大拉應(yīng)力為54.19 MPa，最大壓應(yīng)力為56.00 MPa，遠(yuǎn)小于所用鋼材的設(shè)計(jì)值295 MPa，表明了拼裝施工方案的可行性和安全性。

工況三～工況六的最大豎向位移分別為18.87 mm、18.90 mm、19.52 mm和21.56 mm，均小于最大位移所在位置的單榀桁架撓度容許值，位移的不斷增大符合實(shí)際施工工況。工況三～工況六的最大拉應(yīng)力依次為59.46 MPa、54.47 MPa、55.93 MPa和66.25 MPa，最大壓應(yīng)力依次為60.05 MPa、47.71 MPa、54.44 MPa和62.17 MPa，均遠(yuǎn)小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度。模擬結(jié)果表明卸載施工方案安全可靠，樓板澆筑完成后結(jié)構(gòu)在位移和承載力方面留有很大富余，為后續(xù)施工提供了安全保障。

4 實(shí)測應(yīng)力值對(duì)比

4.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測方案

工程中鋼桁架連廊因跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高空施工難度大等特點(diǎn)，在整個(gè)安裝與卸載過程中存在較多不確定因素，易出現(xiàn)安全隱患。因此，以施工全過程的有限元模擬結(jié)果為依據(jù)，對(duì)鋼連廊橫向主桁架HJ1、HJ1a和HJb中關(guān)鍵桿件的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖7所示，共計(jì)18個(gè)測點(diǎn)。

應(yīng)力監(jiān)測借助于表面型振弦式應(yīng)變傳感器。在構(gòu)件拼裝前，通過兩端點(diǎn)焊的方式將傳感器固定在構(gòu)件表面測點(diǎn)處，基于便攜式采集設(shè)備，記錄頻率初值，作為起始零應(yīng)力狀態(tài)。后續(xù)工況應(yīng)力監(jiān)測，同樣采用便攜式采集設(shè)備，并根據(jù)各工況記錄的頻率值，利用傳感器系數(shù)進(jìn)行應(yīng)力換算，傳感器系數(shù)由出廠時(shí)廠家標(biāo)定給出。表面型振弦式應(yīng)變傳感器和便攜式采集設(shè)備如圖8所示。

4.2 拼裝階段應(yīng)力對(duì)比

在工況一和工況二條件下，數(shù)值模擬與監(jiān)測得到的各測點(diǎn)應(yīng)力值對(duì)比如圖9所示，圖中各測點(diǎn)應(yīng)力的模擬值與實(shí)測值吻合較好，變化趨勢(shì)基本一致，表明所建立的有限元模型可準(zhǔn)確地模擬鋼桁架安裝過程。此外，圖中結(jié)果顯示，兩種工況下測點(diǎn)應(yīng)力的模擬值最大為32.8 MPa，遠(yuǎn)小于鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度295 MPa，表明鋼桁架連廊所采用的施工安裝方法安全合理;工況一施工完畢，各測點(diǎn)中最大應(yīng)力實(shí)測值為23.01 MPa，占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的7.8 %;工況二施工完畢，最大應(yīng)力實(shí)測值為22.17 MPa，占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的7.5 %，表明結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件在兩個(gè)施工階段均在彈性階段，且在結(jié)構(gòu)自重作用下應(yīng)力占比很小，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4.3 卸載和樓板澆筑階段應(yīng)力對(duì)比

工況三～工況六，各測點(diǎn)應(yīng)力的模擬與實(shí)測結(jié)果對(duì)比如圖10所示，其中僅在卸載階段，個(gè)別測點(diǎn)的應(yīng)力模擬值與實(shí)測值相差較大（工況五），但整體吻合較好，表明所建立的有限元模型可以很好地模擬臨時(shí)支撐的卸載過程和樓板澆筑完畢后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。此外，圖中結(jié)果顯示，四種工況下測點(diǎn)應(yīng)力的模擬值最大為31.1 MPa，遠(yuǎn)小于鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度295 MPa，表明鋼桁架連廊所采用的支撐卸載方法安全可靠;最大實(shí)測應(yīng)力值為-51.18 MPa，出現(xiàn)在支撐拆除完畢后（工況五），當(dāng)繼續(xù)施工至工況六完畢，該測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力值為18.87 MPa，雖然應(yīng)力變化量為70.05 MPa，但該構(gòu)件仍處在彈性階段;當(dāng)施工結(jié)束后（工況六），各測點(diǎn)最大實(shí)測應(yīng)力為-32.71 MPa，占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的11.1 %，表明結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下安全可靠，且為后續(xù)施工和使用留有充足冗余度。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于大跨度復(fù)雜鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)的施工方案而言，通過有限元軟件MIDAS模擬其施工全過程是可行的。在施工各階段，關(guān)鍵桿件應(yīng)力的模擬值與實(shí)測值吻合良好，表明了施工方案的準(zhǔn)確性和合理性，并為同類復(fù)雜的空間大跨度結(jié)構(gòu)工程的施工提供了重要的數(shù)據(jù)參考。

（2）部分測點(diǎn)應(yīng)力的模擬值與監(jiān)測值存在略大的偏差，可能是有限元模型僅對(duì)鋼桁架連廊進(jìn)行了建模，未考慮相連主塔樓的約束作用所導(dǎo)致。從另一方面說明，大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的施工全過程應(yīng)在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上輔以監(jiān)控措施，及時(shí)對(duì)可能發(fā)生的隱患進(jìn)行糾偏或處理，保障施工安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔萬鋮. 某音樂廳屋蓋巨型鋼桁架結(jié)構(gòu)施工模擬與監(jiān)測[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2017.

[2] 范優(yōu)銘， 夏群. 宜興大劇院大跨度空間桁架鋼結(jié)構(gòu)施工過程模擬研究[J]. 施工技術(shù)， 2018， 47（17）： 106-109+118.

[3] 孫學(xué)根， 牛忠榮， 方繼， 等. 安徽霍邱體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋累積滑移施工法與監(jiān)測[J]. 工業(yè)建筑， 2017， 47（6）： 125-130.

[4] 蘇杭， 王靜峰， 曹晗， 等. 大跨度非對(duì)稱空間異形曲面鋼桁架結(jié)構(gòu)施工新技術(shù)與智慧云監(jiān)測研究[J]. 結(jié)構(gòu)工程師， 2021（2）： 213-221.

[5] 張亮泉， 張樹崗， 郭巒川， 等. 哈爾濱大劇院鋼結(jié)構(gòu)屋蓋卸載模擬及應(yīng)力監(jiān)測[J]. 地震工程與工程振動(dòng)， 2014， 34（3）： 174-182.

[6] 孫玉輝. 大跨度鋼屋蓋施工全過程數(shù)值模擬與施工監(jiān)控[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)， 2015.

[7] 張煊銘. 大跨鋼結(jié)構(gòu)卸載期間的受力分析與安全監(jiān)測[D]. 包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)， 2014.

[8] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)： GB 50017-2017[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2017.