鋼結(jié)構(gòu)空中連廊施工過程仿真分析

中國葛洲壩集團機械船舶有限公司 湖北宜昌 443000

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，新穎、美觀、復(fù)雜的超高大跨度城市建筑隨之出現(xiàn)，如超高層結(jié)構(gòu)、帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、高空超大跨度連體鋼連廊結(jié)構(gòu)等。鋼結(jié)構(gòu)地面拼裝和同步提升技術(shù)也隨之應(yīng)用于國內(nèi)外施工之中。

1 工程概況

該工程由1-4號樓共4座高180m的塔樓及連接4個塔樓的鋼結(jié)構(gòu)空中連廊組成。4座塔樓的用途主要為商場、辦公樓及商業(yè)中心等，鋼結(jié)構(gòu)空中連廊的主要用途為觀光。該鋼結(jié)構(gòu)空中連廊距地面185m，其主體跨度為305m，寬度為28m，支撐并跨越4座塔樓，最大懸空部分長42m。與其他結(jié)構(gòu)形式相比，鋼結(jié)構(gòu)具有抗壓、抗拉及跨越能力強等優(yōu)點，故選擇鋼結(jié)構(gòu)作為本空中連廊的主體結(jié)構(gòu)，該工程的建筑布置示意見圖1。

圖1 建筑布置示意

2 有限元模型的建立

利用有限元軟件SAP2000對施工過程進行模擬，其中鋼結(jié)構(gòu)空中連廊的所有材料均采用Q345鋼材，其彈性模量E=2.0 1011Pa，材料泊松比γ=0.3，鋼材密度ρ=7.84 103kg/m3。荷載取值為：施工活荷載為4.8kN/m2；上層的鋼框架為10.0kN/m2；搭設(shè)的模板及鋼管腳手架為0.8kN/m2；玻璃幕墻及圍護荷載為15.02kN/m2；其他活荷載為0.9kN/m2。其與基礎(chǔ)連接方式假設(shè)為完全剛接，上部桁架的底部采用4個支座，一端為2個滑動支座，一端為2個鉸支座。將傳送膠帶和屋面頂棚等對結(jié)構(gòu)整體剛度影響較小的構(gòu)件換算成活載和恒載傳遞至本模型。由于本結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，只需研究其部分結(jié)構(gòu)，本文建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 基于SAP2000建立的有限元模型

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工方法分析

3.1 高空原位散裝法流程

由于本鋼結(jié)構(gòu)主桁架跨度大、最大懸空長度大且鋼結(jié)構(gòu)空中連廊距地面高，受諸如風(fēng)、塔樓不均勻沉降等多種因素的影響，直接提升法等許多常規(guī)施工辦法不適于本工程。根據(jù)國內(nèi)外其他項目的施工經(jīng)驗，本文選擇高空原位散裝法進行施工[1]。圖3為第一步桁架的安裝流程。

圖3 第一步桁架的安裝流程

3.2 位移控制措施——拉索結(jié)構(gòu)

通過對國內(nèi)外類似項目的借鑒，結(jié)合本項目的施工情況選擇拉索結(jié)構(gòu)作為控制措施，對主桁架的內(nèi)力和位移進行控制。拉索結(jié)構(gòu)具有施工簡單、自重小，特別適用于大跨度結(jié)構(gòu)。拉索一般采用鋼絲，目前用于懸索橋的鋼絲直徑一般選用4-7mm，本工程選用7mm鋼絲，一般情況下鋼索包含7根鋼絲，其拉伸強度在1800-1900MPa。本工程選用夾片式群錨作為施工錨具[2]。

拉索的施工流程為：（1）設(shè)置一個高度為10m的剛性格構(gòu)柱，并將高強螺栓設(shè)置在鋼桁架主體結(jié)構(gòu)與底部之間以保證結(jié)構(gòu)在完成對接后方便拆卸。（2）為了防止發(fā)生橫向失穩(wěn)的情況，本結(jié)構(gòu)采用橫向加拉索的形式并將H型鋼梁設(shè)置于3根格構(gòu)柱之間，使得3根格構(gòu)柱變成一個整體以增強結(jié)構(gòu)柱的穩(wěn)定性。（3）將夾片式群錨錨具安裝在剛性柱上，在主桁架上增設(shè)1個鐵制連接器環(huán)。（4）進行鋼絞線的安裝工作并將鋼桁架與拉索進行連接。（5）當鋼絞線安置好之后，將鋼絞線松開至一定長度，然后將其伸入錨具端口，此時應(yīng)注意鋼絞線和夾片之間咬合的牢靠性。至此完成1根鋼絞線的安裝工作，其他鋼絞線的安裝方式與上述步驟相同。

3.3 加拉索后結(jié)構(gòu)的模擬分析

由以上分析可知可知，增設(shè)安裝拉索后第1榀和第2榀主桁架的42根桿件的應(yīng)力比均小于1，說明增設(shè)拉索后各桿件的受力處于正常狀態(tài)。同時根據(jù)有限元軟件的計算結(jié)果顯示，拉索所受拉力的最大值出現(xiàn)在工序5時，其最大拉力為2128.89kN，如圖4所示。

圖4 各拉索的拉力kN

根據(jù)前文提到的鋼絲的拉伸強度，經(jīng)過換算可得拉索的最小截面直徑為47.58mm，考慮其他因素，本文選擇直徑為50mm的拉索。同時有限元計算結(jié)果顯示，加拉索前結(jié)構(gòu)的最大位移為342.85mm，增設(shè)拉索后最大位移減小為29.75mm，此位移大小可以通過對拉索結(jié)構(gòu)的預(yù)調(diào)節(jié)進行控制[3]。

4 結(jié)語

為解決主體跨度為305m、質(zhì)量6000t和提升高度185m的大跨度鋼結(jié)構(gòu)空中連廊施工過程中存在的難點，利用有限元軟件SAP2000對大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊的施工過程進行了模擬。結(jié)果顯示，在進行工序3時部分桿件發(fā)生破壞且鋼結(jié)構(gòu)的最大位移達342.85 mm。針對上述問題，結(jié)合該項目實際施工情況，采用增設(shè)拉索結(jié)構(gòu)的方式進行施工控制。有限元計算結(jié)果顯示，增設(shè)拉索后各桿件內(nèi)力明顯減小，鋼結(jié)構(gòu)的最大位移為29.75mm，拉索最大拉力為2128.89kN，各指標均在可控范圍內(nèi)，證明了該施工方法的適用性和安全性。