泰安道五號(hào)院工程焊接順序研究

1 工程概況

泰安道五號(hào)院工程是天津市市屬重點(diǎn)工程，位于天津市和平區(qū)泰安道以南，南鄰曲阜道，東臨大沽北路，西臨浙江路，總建筑面積189 000m2，地下3層、地上47層，建筑最大高度263.4m，附樓屋頂高度為39 m，基坑最大深度18.05m；塔樓結(jié)構(gòu)形式為鋼框架-核心筒（內(nèi)筒外框）結(jié)構(gòu) ，附樓及地下室為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屬于超高層建筑。

該工程主體核心筒結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)，外框?yàn)殇摴苤鶅?nèi)灌混凝土結(jié)構(gòu)。外框鋼管柱20根，最大管徑1.5m，最小管徑0.6m，最大壁厚30mm。鋼梁形式為H型鋼，共計(jì)4 183根，結(jié)構(gòu)總鋼量25 000 t。

2 研究方法

2.1 研究?jī)?nèi)容

標(biāo)準(zhǔn)層外框鋼結(jié)構(gòu)焊接順序；轉(zhuǎn)換層桁架焊接順序；焊接對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變影響分析。

2.2 研究方法

采用MIDAS/gen三維有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型，然后使用軟件中的施工模擬、生死單元、溫度荷載技術(shù)按照不同順序?qū)Y(jié)構(gòu)的相應(yīng)位置施加和取消焊接熱影響，從而得到不同焊接順序的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值，通過數(shù)值加以分析。

3 標(biāo)準(zhǔn)層焊接順序研究

每一層的結(jié)構(gòu)基本相仿，現(xiàn)在以標(biāo)準(zhǔn)層為對(duì)象，進(jìn)行焊接順序的研究。焊接順序分為兩種：由兩邊向中間焊接、由中間向兩邊焊接，見圖1和圖2。

圖1 由兩邊向中間焊接

圖2 由中間向兩邊焊接

3.1 分析

分析采用midas有限元軟件，對(duì)安裝各工序的構(gòu)件、荷載及焊接熱影響依次進(jìn)行激活及鈍化模擬整層的焊接過程，見圖3。

圖3 泰安道五號(hào)院MIDAS模型

1）由兩邊向中間焊接模型分析。焊接完成后最大變形3.46mm，最大應(yīng)力比0.41。

2）由中間向兩邊焊接模型分析。焊接完成后最大變形3.5mm，最大應(yīng)力比0.38。

3.2 對(duì)比及結(jié)論

兩種焊接情況的計(jì)算結(jié)論基本相仿，由中間向兩邊焊接的方法應(yīng)力比略微低于由兩邊向中間焊接的情況。同時(shí)，實(shí)際施工中應(yīng)保證結(jié)構(gòu)角部的變形，這兩種方法中由中間向兩邊焊接的方法角部結(jié)構(gòu)最后施工，更加便于消化施工誤差，滿足結(jié)構(gòu)外形尺寸要求。從應(yīng)力比及施工合理性上綜合分析，最后選定由中間向兩邊焊接為最終的焊接順序。

4 轉(zhuǎn)換層桁架焊接順序研究

根據(jù)轉(zhuǎn)換桁架應(yīng)用于結(jié)構(gòu)避難層，是結(jié)構(gòu)剛度最大的地方，所以是施工需要嚴(yán)格控制的區(qū)域。

4.1 分析

轉(zhuǎn)換桁架分為4種情況：由中間向兩邊，由上而下；由中間向兩邊，由下而上；由兩邊向中間，由上而下；由兩邊向中間，由下而上。

1）由中間向兩邊，由上而下。焊接完成后最大變形10.24mm，最大應(yīng)力比0.155。

2）由中間向兩邊，由下而上。焊接完成后最大變形10.28mm，最大應(yīng)力比0.168。

3）由兩邊向中間，由上而下。焊接完成后最大變形10.3mm，最大應(yīng)力比0.154。

4）由兩邊向中間，由下而上。焊接完成后最大變形10.28mm，最大應(yīng)力比0.168。

4.2 對(duì)比及分析

由以上4組數(shù)據(jù)可以看出，桁架由上而下焊接應(yīng)力小于由下而上焊接，而無論是由中間向兩邊還是由兩邊向中間施工的應(yīng)力比基本一致均在0.155左右，是安全的。現(xiàn)場(chǎng)施工考慮保證角部尺寸最終選擇由中間向兩邊，由上而下進(jìn)行焊接的施工方式。

5 整體結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力、變形研究及總結(jié)

將上述研究成果逐一累加至結(jié)構(gòu)模型。從頭至尾完整模擬結(jié)構(gòu)施工焊接過程，研究焊接過程對(duì)整體的應(yīng)力、壓縮變形的影響程度。

沒有焊接熱影響的結(jié)構(gòu)，見圖4和圖5。鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.303，結(jié)構(gòu)柱最大變形為-21.3mm。

圖4 沒有焊接熱影響的變形

圖5 沒有焊接熱影響的應(yīng)力

考慮焊接影響后結(jié)構(gòu)，見圖6和圖7。鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.391，結(jié)構(gòu)柱最大變形為-20.4mm。

圖6 焊接影響的變形

圖7 焊接影響的應(yīng)力

6 結(jié)論

從以上兩組數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)因焊接應(yīng)力最大提升0.088，結(jié)構(gòu)壓縮變形縮小約1mm，這兩個(gè)數(shù)據(jù)證明給結(jié)構(gòu)帶來的影響非常微弱，證明采取的焊接順序較為合理，符合施工及設(shè)計(jì)要求。