大悬挑SRC空间桁架结构施工全过程力学特性分析

陈兵章

(中铁二十一局集团第二工程有限公司 甘肃兰州 730000)

1 引言

研究大悬挑SRC空间桁架结构施工过程必然涉及施工力学，相较而言，施工力学在土木工程理论上属于较为前沿的学科方向[1－2]。

针对钢管柱、钢板剪力墙容易在达到极限承载力前发生局部屈曲，为提高钢板的平面稳定能力，於立雄[3]采用ABAQUS对纵凸筋板在钢结构中的应用可行性进行分析探讨。Noor等[4]提出了几何非线性和材料非线性空间桁架在组合荷载作用下失稳分析的简化方法和计算步骤。Blnimeiri等[5]充分考虑混凝土长期使用性能，提出了钢筋混凝土柱、墙体及混合结构体系的长期使用性能预测方法。以金建铁路新安江特大桥(112＋216＋112)m部分斜拉桥为研究对象，包艺[6]对其总体设计、主要技术标准、桥梁主体上部结构设计及下部结构设计进行阐述，对其整体力学性能进行全面分析。Kozy等[7]研究了管桁架结构承载破坏的极限状态。王光远[8]系统介绍了时变结构力学，并提出时间冻结方法。郭彦林等[9]提出关于大型复杂钢结构施工力学问题的求解思路及分析方法。Pan等[10]研究了高层混凝土结构竖向构件的收缩变形问题。张建华等[11]以某索穹顶结构为例，通过考虑结构时变效应，对该结构进行施工全过程跟踪分析。薛亦聪等[12]提出了基于强度叠加法的SRC短柱受剪承载力计算模型。

综上所述，大悬挑SRC空间桁架结构分析的难点在于没有更多的前例及经验可以依照，每个结构都要进行专门的施工方案设计，且目前研究多集中于新型结构模型试验。本文将从实际出发，采用“生死”单元法，利用有限元软件对结构的施工过程进行模拟分析，得到结构在施工过程中的力学响应，进而起到指导结构施工、保证结构安全性的作用。

2 分析模型及施工方案

2.1 工程概况

广东省某市规划展览馆项目总建筑面积为15 992.77 m2，地下一层、地上二层，建筑总高度23.2 m。建筑物在北侧屋面最大悬挑长度24 m，南屋面最大悬挑长度15 m。悬挑结构主要采用钢桁架结构，有HJ1、HJ2、HJ3及HJ4四种类型。本工程采用型钢混凝土结构＋局部钢结构及钢筋混凝土构件的混合结构形式，主体墙混凝土强度等级为C60，其余构件均采用C35混凝土，钢材材质Q345B。二层梁采用型钢混凝土构件，屋面梁采用钢结构构件。

2.2 数值模型

(1)几何模型建立

采用有限元软件对项目进行1∶1几何模型构建，涉及的截面类型共50种。

(2)单元选取及材料参数

按照结构及分析的特点，本模型梁、柱采用Beam189单元，楼板采用Shell181单元，混凝土采用的强度等级为C35，钢材采用Q345B。临时支撑体系采用Link180单元，均采用0.6×0.6 m截面形式，立柱钢管采用ϕ102×5型号，腹杆钢管采用ϕ60×3型号。

(3)边界条件及荷载

本模型柱脚端均采用刚性边界，南向梁端采用约束横向、纵向平动自由度及横向转动自由度的边界。根据«建筑结构荷载规范»(GB 50009—2012)，通过对比计算，本文使用以可变荷载效应控制的组合进行分析。

2.3 施工方案模拟

本结构共划分为10个施工阶段进行数值分析，拟定A、B两个施工方案。通过对内力(轴力、弯矩及剪力)、应力等数值模拟结果对比分析，得出最优方案。两种方案具体施工顺序见表1。

表1 两种方案施工顺序

3 结构全过程施工力学特性分析

选取二层梁、结构柱、HJ3及HJ4桁架、屋面梁作为分析对象，分阶段研究各个对象施工力学特性。限于篇幅，本文仅给出二层梁内力图，方案A和B由于HJ4桁架与屋面梁在内力方面无明显区别，故不再赘述。

3.1 轴力

按照A、B两种施工顺序对结构轴力进行对比分析，两方案区别主要体现在施工阶段CS3～CS6之间。

(1)二层梁轴力

基于有限元数值分析结果，将A、B方案的二层梁各阶段轴力最值进行汇总，如图1所示。

图1 二层梁轴力变化曲线

由图1可看出，二层梁轴力总体分为两阶段:在CS7之前，其轴向拉压力较小，数值变化量小；在CS7阶段，轴力明显增大，这是由于楼板施工的影响，其后表现较为平缓，数值变化量小。对比方案A、B二层梁轴力最值，数值表现并不明显，可以认为两方案并无明显的优劣之分。

(2)结构柱轴力

基于有限元数值分析结果，将A、B方案的结构柱各阶段轴力最值进行汇总，方案A和B结构柱轴拉力随着施工的进行其数值基本保持不变，而轴压力基本上呈现随着施工的进行数值逐渐增大的趋势。相较方案B，方案A轴压力对应不同施工段的最值明显较小，在 CS5时两者相差最大，差值为163.775 kN，最大优化效果为16.68%(优化效果是指对应施工段处内力差值与较大值的比值，下同)，因此，就结构柱轴力而言方案A更优。

(3)桁架HJ3轴力

基于有限元数值分析结果，将A、B方案的桁架HJ3各阶段轴力最值进行汇总，桁架HJ3轴力最值总体呈现随施工段的进行有增大的趋势。因两方案针对桁架HJ3施工无对应的施工段进行对比，且两方案轴力最值的初始值相差不大，因此，两种方案也视为无优劣之分。

通过以上研究，对比方案A、B可发现，方案A轴力图线总体上表现更为平缓，说明方案A的施工顺序更具合理性，且结构柱轴力最值有明显差异，表现为方案A更优，其最大优化效果为16.68%。因此，就结构轴力表现而言，方案A更优。

3.2 弯矩

(1)二层梁弯矩

基于有限元数值分析结果，将A、B方案的二层梁各阶段弯矩最值进行汇总，如图2所示。

图2 二层梁弯矩变化曲线

由图2可看出，二层梁弯矩最值总体呈现随施工段进行而逐渐减小的趋势。对比方案A、B，在相应的区别施工段处，方案A相比方案B其弯矩最值明显更小，在 CS5时两者相差最大，最大差值46.090 kN˙m，最大优化效果为15.17%。因此，就二层梁弯矩而言方案A更优。

(2)结构柱弯矩

结构柱弯矩最值总体上呈现随着施工段进行而逐渐减小的趋势，且施工段内，其弯矩最值变化量较小。方案A最值明显较小，在CS5时两者相差最大，最大差值为38.604 kN˙m，最大优化效果为28.08%。因此，就结构柱弯矩而言方案A更优。

(3)桁架HJ3弯矩

桁架HJ3弯矩最值总体上呈现随施工段进行逐渐增大的趋势，在CS9～CS10间较陡，说明屋面梁、柱的施工对其正弯矩最值影响较大。对比方案A、B，两者负弯矩初始最值相差不大，正弯矩最值差值为76.209 kN˙m，两者在CS5处最值相差较大，负弯矩最值相差68.258 kN˙m，正弯矩最值相差62.342 kN˙m。综合考虑，就桁架 HJ3弯矩最值而言，方案A更优。

通过方案A、B对比发现，二层梁、结构柱其弯矩最值均表现为方案A更优，其中，二层梁、结构柱最大优化效果分别为15.17%、28.08%，桁架HJ3最大初始差值为68.258 kN˙m。因此，就结构弯矩而言，方案A更优。

3.3 剪力

(1)二层梁剪力

基于有限元数值分析结果，将A、B方案的二层梁各阶段剪力最值进行汇总，如图3所示。

图3 二层梁剪力变化曲线

通过图3可以看出，二层梁剪力最值随着施工段的进行变化量较小，正负值相近，图线近似关于横轴对称，说明结构在施工过程中受力合理。在相应的区别施工段处，方案A相比方案B其剪力最值明显更小，在CS5时两者相差最大，最大差值47.819 kN，最大优化效果为15.07%。因此，就二层梁剪力而言方案A更优。

(2)结构柱剪力

结构柱剪力最值总体上随施工段的进行有略微减小的趋势，变化量总体不大。在相应的区别施工段处，方案A相比方案B剪力最值明显更小，并在CS5时两者相差最大，最大差值3.970 kN，最大优化效果为27.34%。因此，就结构柱剪力而言方案A更优。

(3)桁架HJ3剪力

桁架HJ3剪力最值总体上呈现随施工段的进行而逐渐增大的趋势。对比方案A、B，两者负剪力初始最值相差不大，正剪力初始最值相差明显，差值为28.587 kN。两者在CS5处最值相差较大，负剪力最值相差9.664 kN，正剪力最值相差9.287 kN(方案A较大)。综合考虑，仅就桁架HJ3剪力最值而言方案B较优。

通过方案A、B对比发现，图线整体表现较为平滑，说明其施工顺序具有合理性，且二层梁、结构柱剪力最值均表现为方案A更优，其中，二层梁、结构柱最大优化效果分别为15.07%、27.34%。仅桁架HJ3表现为方案B较优，考虑到桁架HJ3总体剪力最值较小，对整体结构的影响相对较小，因此，就结构的剪力表现而言，方案A更优。

3.4 应力

基于有限元数值分析结果，将A、B方案结构各阶段应力的最大值进行汇总，如图4所示。

图4 结构应力变化曲线

通过图4可以看出，结构应力最大值为28.3 MPa，根据«钢结构设计标准»(GB 50017—2017)，小于应力限值215 MPa，结构安全性满足要求。应力比为0.132，说明结构受力储备大，安全度大。对比方案A、B，在相应的区别施工段处，方案A相比方案B其应力最值明显更小，并在CS4时两者相差最大，最大差值1.3 MPa，最大优化效果为14.13%。因此，就结构应力而言方案A更优。

综合对各研究对象内力、应力进行分析，并通过对方案A、B的对比，无论是内力、应力均表现为方案A更优。因此，应采取方案A对结构进行施工。

4 结论

(1)分析对象的轴力、弯矩、剪力、应力最值总体上均呈现随着施工段的进行逐渐增大的趋势，仅局部存在不遵循该规律的情况，主要考虑为各施工段中临时支撑及楼板施工的影响。

(2)从结构整体角度出发，对内力进行了汇总。结果表明:轴力正负最值分别在桁架HJ4、结构柱处产生，弯矩正负最值分别在屋面梁、二层梁处产生，剪力正负最值均在二层梁处产生，应力最值产生于桁架HJ3处。上述结构应在施工过程中重点关注。

(3)通过对比方案A、B对其进行优选，对于结构轴力而言，方案A更优，其中，结构柱最大优化效果为16.68%；对于结构弯矩而言，方案A更优，其中，二层梁、结构柱、最大优化效果分别为15.17%、28.08%，桁架HJ3最大初始差值为68.258 kN˙m；对于结构剪力而言，综合考虑为方案A更优，其中，二层梁、结构柱最大优化效果分别为15.07%、27.34%；对于结构应力而言，方案A更优，最大优化效果为14.13%。可见，应采取方案A对结构进行施工，对保证施工安全有利。