长安书院异形曲面钢屋盖施工过程模拟分析*

2023-02-25郭宏超陈普政王洪臣

施工技术(中英文) 2023年2期

郭宏超，陈普政，王洪臣

(1.西安理工大学土木建筑工程学院，陕西西安 710048；2.中国建筑西北设计研究院有限公司，陕西西安 710018)

0 引言

建筑物成型过程中，结构刚度、几何形状、所承担荷载及支座约束条件随施工步骤不断变化，施工顺序的不同会导致承受荷载结构所处施工阶段不同，不同应力、应变累计过程会导致结构在施工各阶段应力、应变均不同[1-2]。在我国，有较多工程结构倒塌事故发生在施工期间[3], 如长沙市望城区自建房倒塌事故、“3.2”储煤场棚化钢网架倒塌事故和上海市长宁区1幢厂房“5.6”倒塌事故等，究其原因,相当比例是由未对施工方案进行计算和论证而冒险作业造成。

许多学者对施工方案进行过程模拟计算研究，秦广圣等[4]对枣庄“石榴花”造型钢结构进行施工设计一体化建模，对其安装和卸载顺序进行分析，确定结构强度、刚度在合理范围内。张志伟等[5]对苏州湾文化中心弯扭钢飘带不同卸载顺序节点反力值进行分析，得出由中间向两端卸载方案中应力变化幅值更小。王秀丽等[6]采用 MIDAS Gen有限元软件对某大型体育馆钢结构工程进行施工全过程分析模拟，分析理论值与现场实测数据吻合较好。李志强等[7]对拉斐尔云廊屋盖结构11号塔楼土建施工滞后铝合金屋盖问题提出了安装和卸载临时胎架不同顺序的4种方案进行论证，并对每个方案应力、应变情况进行对比。郭彦林等[8]以国内外钢结构工程为研究背景，提出一体化协同时变，从整体结构施工力学出发解决施工过程中的应力、应变问题。朱军等[9]在西安北站钢屋盖施工过程中采用了一体化模型，并对边安装边落架施工方案进行仿真分析，确保了施工过程中结构安全和稳定。

目前，国内外主要集中于网架结构屋盖施工过程研究，对钢屋盖整体结构施工过程一体化模拟分析研究较少。参考国内钢结构逆作法施工工艺[10-11]，对长安书院异形曲面钢结构进行整体建模，分析逐层法和逆作法不同施工方案的整体结构应力、应变情况。

1 工程概况

1.1 项目概况

长安书院项目位于西安市灞桥区浐灞生态区核心区域，东临灞河，北侧毗邻上庄灞柳小区，与全运会主会场西安奥体中心隔河相望，也是奥体中心门户形象展示区的重要组成部分，效果如图1所示。南北方向长约315 m，东西方向长约189m，建筑最高点为58m。网架结构屋盖钢结构按结构布置分为4个区域，如图2所示。

图2 网架结构屋盖分区布置

屋盖属于双层正交正放的曲面空间网架体系，整个曲面类似于球心向上的球面。网架结构主要由多种类型圆钢管杆件组成，并与焊接而成的球形节点连接，四周采用悬挑结构收尾，角部悬挑部分可达22m。下部结构是由钢管柱、钢管混凝土柱、H型钢梁、混凝土楼板组成的框架结构。以面积最大的D区网架结构屋盖施工技术为例，对其施工工艺进行阐述。

1.2 施工及结构特点

长安书院结构主要特点如下：①网架结构屋盖覆盖面积大；②结构悬挑部分总长350m；③各类形式通高柱并存且数量多，空间布置复杂；④2层以上楼板开洞面积>50%，楼板不连续。根据项目实际情况，最终选取了分块吊装、辅以临时胎架的施工方案。这样的结构特点给施工带来了很多挑战，导致临时胎架布置不规则，布置难度系数较大。

2 计算模型与施工方案

2.1 模型建立

1)对施工方案进行有限元模拟，分析施工过程中结构应力、应变。钢结构框架梁、网架结构各杆件、框架柱和临时胎架均设置为可受拉和受压的梁单元，楼板设置为板单元，模型如图3所示。

图3 D区网架结构屋盖有限元模型

2)钢管柱和H型钢梁强度等级为Q355B，钢管混凝土柱为Q390B钢管内填C60混凝土的组合材料，楼板混凝土等级为C35。

3)考虑结构自重及网架拼接作用，乘以1.2倍的放大系数，设定为恒荷载。选取50年一遇的风荷载基本值，折合到每个节点，取网架结构节点力为0.75kN，胎架和支承柱部分节点力为1～1.3kN。

2.2 结构施工方案

2.2.1逐层法施工

逐层法施工步骤为：施工第1层框架梁和框架柱→浇筑第1层楼板→施工第2层框架梁和框架柱→浇筑第2层楼板→施工第3层框架梁和框架柱→浇筑第3层楼板→施工第3层至网架结构屋盖之间框架柱→浇筑钢管混凝土柱内混凝土→在已完成的框架梁和框架柱上搭设临时胎架→吊装和拼接网架结构屋盖(网架结构从北向南依次进行吊装和拼接)→分6步从北到南逐批拆除临时胎架→角部及四周悬挑网架结构就位。D区网架结构分区布置如图4所示。

图4 D区网架结构分区布置

2.2.2逆作法施工

逆作法施工步骤为：对钢柱分节吊装和安装→浇筑钢柱内混凝土→在地面搭设临时胎架→分块吊装和拼接网架结构屋盖，吊装和拼接顺序与逐层法相同→分6步从北到南逐批拆除临时胎架→角部及四周悬挑网架结构就位→1层框架主、次梁和框架柱安装→1层混凝土楼板浇筑→2层框架主、次梁和框架柱安装→2层混凝土楼板浇筑→3层框架主、次梁和框架柱安装→3层混凝土楼板浇筑。

3 模拟分析

3.1 临时胎架顶部位移与轴力分析

对整体结构进行一体化建模，临时胎架共54榀，通过“激活”和“钝化”[12]临时胎架单元模拟其建立和拆除。临时胎架顶部最大侧向位移和最大轴力变化及其分布情况分别如图5，6所示(u(x1)为临时胎架顶部最大侧向位移，n(x1)为临时胎架数量，f(n1)为临时胎架顶部受到的最大轴力)。

图5 临时胎架顶部最大侧向位移变化及分布情况

由图5可知，逐层法方案中临时胎架侧向位移在施工的每个阶段均大于逆作法方案，其中顶部最大侧向位移为11.30mm，满足规范要求。之所以临时胎架侧向位移偏差较大，是因为该部分胎架底部固定于框架梁跨中位置，框架梁受到临时胎架集中作用力、周围结构及自身重力作用发生微弱变形，由于临时胎架高度较高，导致胎架顶部发生明显变形，而采用逆作法时，临时胎架固定于地面，所以顶部发生较小侧向位移。由图6可知，两种方案中临时胎架顶部轴力变化趋势相同，说明两种方案对临时胎架顶部轴力影响不大。

图6 临时胎架顶部最大轴力变化及分布情况

3.2 网架结构屋盖挠度与应力分析

网架结构屋盖吊装和拼接分为26个工序(工序CS1～CS26)，临时胎架分为6步进行卸载(施工阶段CS27～CS32)，CS33为网架结构角部悬挑部分就位阶段。最大挠度和最大应力变化曲线如图7所示(u(x2)为网架结构杆件最大挠度，σ(x)为网架结构杆件最大应力)。

图7 施工过程中网架结构屋盖最大挠度和最大应力变化曲线

由图7a可知，两种方案在网架结构施工过程中的最大挠度均不同，其中逐层法方案中网架结构安装过程中最大挠度大于逆作法方案20.14%，主要由于固定在框架梁跨中的临时胎架产生了较大顶部位移。网架结构最大挠度和最大应力均发生在卸载阶段，其中逐层法方案中最大挠度为20.01mm，挠跨比为L/450，小于GB 50017—2017《钢结构设计标准》中规定的挠跨比L/250。逐层法方案中角部悬挑部分就位时产生的最大挠度值为38.09mm，超过逆作法方案最大挠度8.39%，挠跨比为L1/315，小于《钢结构设计标准》中规定的挠跨比L1/250。由图7b可知，逐层法方案中网架结构最大正应力和负应力变化趋势与逆作法方案基本一致，最大应力绝对值为88.70MPa，与相应规范进行对比，满足规范要求。

3.3 框架柱柱顶位移及轴力分析

根据柱组成材料、截面类型、长度和所受荷载，选取12根柱作为代表柱，分析不同施工方案在各施工阶段对柱顶侧向位移的影响。施工过程中柱顶最大侧向位移u(x3)如图8所示。

图8 施工过程中各柱柱顶最大侧向位移

由图8可知，逐层法方案中框架柱柱顶产生的侧向位移均大于逆作法方案，且柱顶位移随施工过程中的变化曲线更为剧烈，数据离散性较大，说明逐层法施工方案对框架柱柱顶位移影响较大。其中钢管柱最大位移发生在逐层法方案中的Z54，为2.769mm，小于《钢结构设计标准》中限值19 000/250=76mm，满足规范要求，与逆作法施工方案中Z54最大柱顶位移相比，超过了209.73%。最大钢管混凝土柱侧向位移发生在逐层法方案中的Z36,为4.034mm，小于GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》中限值13 800/300=46mm，超过逆作法方案中Z36柱顶侧向位移724.87%。

框架柱柱顶最大轴力对比如图9所示。由图9可知，采用不同施工方案，施工过程中网架结构屋盖对框架柱轴力影响不大，与相应规范计算得到的轴力进行对比，框架柱均满足承载力要求。