成都博物馆新馆施工仿真分析研究

2012-04-23谷士争陈均张超

城市建设理论研究 2012年35期

谷士争陈均张超

【摘要】全过程模拟计算分析软件采用通用有限元分析与设计软件SAP2000 v14.1.0。后处理采用自编VBA二次开发工具结合专业计算软件ANSYS。对施工全过程中结构力学响应进行了仿真分析。最后得出以下结论，结构变形、，胎架反力包络值、卸载过程分析、预调值。

【关键词】仿真分析；变形；胎架反力；卸载过程

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

1工程概况

本工程为成都市博物馆新馆项目，总建筑面积65000m2。主体结构为钢框架－混凝土核心筒结构，建筑层数为地上五层（附设夹层）：首层层高9m，二～四层层高7m，五层层高4m；地下四层：地下一层层高为8m，地下二～四层层高为4m；外立面三角形钢网格与主体结构共同作用形成组合空间结构体系，最高点高度为46.88m，总用钢量约14000t。结构安全等级为一级，抗震设防类别为重点设防类（乙类）。由于主体结构北侧地下部分有地铁线通过，故在地铁上方设置大悬挑桁架结构，其悬挑长度为33米，并托起地上五层主体结构。同时博物馆礼仪广场为44m大跨度复杂空间结构。

本项目为体型复杂大型悬挑结构，结构受力关系复杂，悬挑、大跨等处可能存在较大变形，为了分析结构施工过程变形及受力特点，控制悬挑、大跨及复杂外网格结构的变形，对主体结构进行施工仿真分析

2施工胎架布置

图1胎架三维布置图

本工程胎架包括钢管格构式胎架（主要支撑铸钢件、外立面网格、大跨度钢梁等）、型钢组合胎架、悬挑桁架胎架三种，所有胎架材质为Q345B。

(1)钢管格构式胎架：主要支撑钢网格及礼仪广场上部结构，格构式胎架由无缝钢管组成，标准节尺寸为6mx2mx2m，标准节对接组装成支撑胎架，胎架立杆为Φ245x10，横管为Φ146x6，斜杆为Φ102x5，立杆连接钢板为500x500x20的钢板；

(2)型钢组合胎架主要支撑铸钢件及西南悬挑结构，型钢胎架采用H型钢，立杆为H 488x300x11x18，横杆为H 250x250x9x14，斜杆为H 250x250x9x14，底座为双拼H 588x300x12x20。

(3)悬挑桁架胎架主要支撑北部悬挑结构。悬挑桁架胎架立杆采用双腹H型钢，截面采用双H588×300×12×20,连梁采用H300*300*10*15。

3结构基本信息

3.1分析模型、坐标及方向、单位约定

3.1.1分析模型

全过程模拟计算分析软件采用通用有限元分析与设计软件SAP2000 v14.1.0。后处理采用自编VBA二次开发工具结合专业计算软件ANSYS。

SAP2000模型自原设计MIDAS模型导入，二者总体信息接近，主要分析结果对比如下：

表1

基本假定：

（1）楼板按弹性楼板考虑，楼板等效厚度同原设计。

分析参数：

（1）考虑几何非线性效应；

（2）侧限参数同原设计，地下室部分侧限位于底板，其它部分无侧限。

（3）施工仿真分析模型中，胎架按构件实际（设计）形式、截面建模，能够反映胎架实际刚度参数。由于胎架顶端通过仅承担竖向荷载的沙箱与结构底部相连，胎架主要承担竖向荷载，水平方向对结构基本无约束作用。

3.1.2坐标、方向约定

本文所有坐标及变形数据均采用结构分析所用的标准3D直角坐标系，Z轴竖直向上，X轴正向向北、Y向正向向西，坐标原点位于东南角，同原设计模型。

3.2控制节点编号规则说明

为使节点、构件信息表达方便，对全结构控制节点、构件进行编号

4施工过程全过程模拟

施工全过程模拟预演整个施工过程，分析结构及施工措施的力学特征变化规律，既是对设计过程中结构构件实际内力的重要模拟手段，也是部分施工措施设计的前提条件。

4.1施工步骤

4.2各步总荷载（总反力）

表2

表3

4.3隔震支座变形

1）隔震支座在整个施工过程中及正常使用状态下的变形较小，三向最大变形为Uxmax=1.1mm、Uymax=1.9mm、Uzmax=-0.9mm(即最大沉降0.9mm)。

2）施工模拟结果与一次性加载分析结果接近，二者均较小。

4.4结构控制点变形

四周角点均有胎架支撑，其变形为结构较大变形处。

1）四角点变形水平分量远小于竖向位移分量，节点变形以竖向位移为主；

2）由于四角结构形式、悬挑跨度不同，四角竖向位移量差别较大，东南角挠度最小，悬挑的西南、东北、西北较大，其中悬挑最大的东北角最大，按本文施工步施工，累计最大挠度49.2mm。

3）卸载前、后对应的施工阶段分别为29、44，其间位移差为卸载阶段的卸载位移量，东北、西北、西南、东南角点卸载位移量分别为14.9、4.2、11.4、2.0mm，上述卸载位移量是确定卸载过程分级的重要依据。

4）本版分析结果与上版结果总体接近，个别数据有所差异。

4.5构件内力

构件内力主要对比施工模拟与一次性加载分析结果，考察不同施工过程对结构内力的影响，选取内力较大的东北角悬挑桁架典型桁架下弦杆和桁架支座立柱

由于悬挑结构施工时有临时胎架支撑，主要结构基本安装完毕再进行卸载，结构构件内力状态与一次性加载较为接近。

5 胎架反力及卸载过程模拟

从施工全过程仿真分析结果中得出胎架反力各阶段值和所有阶段包络，汇总如下：

5.1典型胎架反力历程

胎架受力特点：

1）胎架仅承担压力；

2）各胎架在初始状态时反力为0（不含自重）

3）由于胎架卸载有先后顺序，部分胎架在卸载过程中由于临近胎架卸载而本胎架不卸载反而反力增加（例如X07）。

4）卸载过程中，卸载胎架上荷载逐渐转移至主体结构或不卸载的胎架，卸载胎架反力逐渐减小，至47步（卸载最后一步）所有胎架反力肯定归零，部分胎架可能提前归零（41~46步间），表示提前卸载完毕，与主体结构脱开。

5.2胎架反力包络值

卸载过程对胎架反力有所影响，当采用不同的卸载过程时，应当另行分析反力变化。

5.3胎架变形及卸载过程分析

卸载方案在本项目中至关重要。本节根据全过程施工仿真分析结果说明结构四角等关键点的变形历程、相关胎架的卸载变形控制数据，并给出了所有胎架的卸载过程变形数据。

5.3.1典型胎架

结构关键点及相关胎架全过程位移，结构变形归纳如下：

1）所有点初始位移均为0；

2）随结构施工进行，陆续有结构构件开始在荷载下（主要是结构自重）变形，多数情况下竖向位移逐步增加，至主要结构安装完成，准备进行卸载，。

3）卸载过程中，通过释放沙箱中的沙量使沙箱总高度减小，减小量即卸载量，可人工控制。在此过程中裙楼底/沙箱顶一直向下位移；沙箱底/胎架顶由于胎架受力减小在向上反弹。

各表中沙箱计算卸载量比目标卸载量小时，说明胎架本步卸载完毕，沙箱已脱离上部结构。

5.4小结

表4

6预调值

6.1预调值分析方法

迭代法确定结构各安装位形的基本思路为：

（1）给定结构的设计位形[v]，在该位形的基础上，施加均布荷载 q（构件自重荷载及附加恒载，即竣工状态时结构所承受的荷载），得到结构的一个变形状态，假定该位形为[v]−[δ1]，以[δ1]作为结构施工预调值，施加到设计位形上，得到第一次施工初始位形[v]+[δ1]。如果结构的非线性弱，则在此位形上施加荷载q后，结构将变形回到设计位形或二者误差[δ1]−[δ2]较小满足设计要求，此时，[v]+[δ1]即为结构施工的初始位形。

（2）若结构几何非线性较强，受荷后结构变形将不会回到设计位置，而是将到达新的位形 [v]+[δ1]−[δ2]，与设计位形的误差为[δ1]−[δ2]。需要进行迭代计算，在下一次迭代时，仍以设计位形为基准，施加预调值[δ2]，施加荷载q 后得到位形 [v0]+[δ2]−[δ3]，与设计位形的误差为[δ2]−[δ3]。如此反复，直至所得满足[δn-1]−[δn]容差要求时，得到的位形即为结构施工的初始位形。

（3）结构在[v0]+[δn-1]上施加荷载q （自重及附加恒载作用）后，结构变形后的几何状态与设计状态的误差在允许范围之内。

6.2本工程施工预调值分析

（1）预调目标：结构在使用状态下（即在重力荷载代表值作用下）保持水平或略微上挑；

（2）目标荷载：重力荷载代表值Ge=DL+0.5LL；

（3）分析方法：根据结构设计位形在重力荷载代表值下的变形响应，反算施工初始位形；通过迭代计算，直至结构变形后的位形收敛至设计位形；控制关键节点收敛误差在0.1mm以内

6.3预调值

施工模拟全过程分析及据此给出的结构构件施工预调值，包括构件节点的安装预调值及构件本身的加工（长度）预调值。

加工预调值的长度加长/缩短及安装预调值的方向说明如下：

（1）预调值长度单位统一取mm，考虑到工程实际，预调值精度取0.1mm；

（2）加工预调值的长度加长/缩短：

加工预调值表示为制作长度相对于设计位形的变化量，为正时表示制作长度相对设计位形应加长，负值表示构件制作时相对设计长度的应缩短。

如某构件设计长度10,000mm，加工预调值“+4.6”或“4.6”表示制作时应作成的实际长度为10,000+4.6=10004.6mm；又如某构件设计长度10,000mm，加工预调值“-4.6”表示制作时应作成的实际长度为10,000-4.6=9995.4mm。