大型鋼結構整體提升過程的有限元分析

胡麗娟HU Li-juan；黃佩兵HUANG Pei-bing

（中國電建集團江西省水電工程局有限公司，南昌330000）

0 引言

某會展中心項目#1、#2 展廳和進站大廳組成，建筑采用對稱布置，參見圖1。主體采用鋼結構，其結構體系為鋼管柱+型鋼支撐+鋼桁架；地上3 層，地下1 層，總建筑面積34000m2，鋼結構總重量約為18000 噸。進站大廳屋面鋼結構位于地下室頂板上方，需要等到地下室結構完成施工，方可進行此部分的鋼結構安裝。

進站大廳屋面鋼結構跨度51m，長度為75.05m，主要由8 榀管桁架組成，管桁架兩端支座為抗震球鉸支座，支座安裝標高為+23.29m。管桁架橫斷面為倒三角形，最重的管桁架單重達45.4 噸。如采用大型起重機械進行單榀桁架吊裝方案，起重機械設備需在頂板上進行吊裝作業，頂板承載能力無法滿足要求，則需要投入大量的地下室頂板加固費用。如采用搭設滿堂架進行高空散裝方案，則施工周期長、成本高和安全風險大。因此最終選擇“地面原位拼裝、整體提升”的施工工藝。

圖1 進站大廳立面

將屋面鋼結構在安裝位置正下方的地下室頂板上拼裝成整體后，利用“液壓同步提升技術”，將其提升到位。提升過程中結構受力采用有限元軟件MIDAS/Gen 全過程仿真計算，同步提升通過計算機控制實現，有效保障施工安全，并將大大降低施工難度。

1 提升方案設計

1.1 提升吊點布置

屋面鋼結構在其投影面正下方的地下室頂板上拼裝為整體，根據其結構左右對稱的特點并通過軟件分析優化，最終確定在兩側面各布置五個吊點（見圖2）。在鋼柱頂部位置（標高+23.290m），利用鋼管柱及管桁架一段上弦桿設置提升平臺，布置上吊點（見圖3）。在與上吊點對應的管桁架下弦桿件上安裝提升下吊點（見圖4），上、下吊點間通過專用底錨和專用鋼絞線連接。

圖2 提升吊點平面布置

1.2 提升平臺設計

提升平臺由上弦桿、斜撐、托座和提升梁組成，提升梁、上弦桿、球鉸支座和斜撐將提升反力傳遞到鋼柱上，優化了提升情況下鋼柱的受力狀態。提升梁規格為H300×250×14，斜撐規格為Φ180×6 鋼管，托座由20mm 厚的鋼板焊接制成。所有臨時措施材質均為Q345B，提升平臺各桿件之間均采用焊接連接，焊縫均采用熔透焊縫，焊縫等級為二級。

圖3 提升平臺（上吊點）示意

1.3 同步提升方案

提升前，檢查提升單元和所有臨時措施是否滿足施工方案和圖紙設計要求。確認無誤后以計算機仿真計算的各提升吊點反力值為依據，對提升單元進行分級加載（試提升），各吊點處的液壓提升系統伸缸壓力分級增加，依次為20%、40%、60%、70%、80%。再次檢查各部分無異常的情況下，可繼續加載到90%、95%、100%，直至提升單元全部脫離拼裝胎架。提升單元離開拼裝胎架約150mm 后，利用液壓提升系統設備鎖定，空中停留12 小時做靜載試驗，對吊點結構、承重體系和提升設備等做全面檢查，各項檢查正常無異常，再進行正式提升。做靜載試驗時，測量各吊點的水平標高，并計算出各吊點相對高差。

正式提升時，通過液壓提升系統設備調整各吊點高度，使提升單元達到設計姿態。以調整后的各吊點高度為新的起始位置，復位位移傳感器，在同步整體提升過程中，始終保持該姿態。提升鋼結構距設計標高約200mm 時，暫停提升。

圖4 下吊點三維示意

提升就位時，各吊點微調使結構精確提升到達設計位置，液壓提升系統設備暫停工作，保持提升單元的空中姿態，然后進行后裝桿件的安裝并進行焊接，使提升鋼結構形成整體穩定受力體系。

吊點裝置拆除前，后裝桿件焊縫經檢測合格后方可將液壓提升系統設備同步減壓，至鋼絞線完全松弛。最后拆除液壓提升系統設備及相關臨時措施，完成鋼結構整體提升作業。

2 提升過程的有限元分析

2.1 抗震球鉸支座的有限元分析

球鉸支座的四面均采用鋼板（材質Q345B，厚度20mm）將其座板和頂板焊接連接（見圖5），焊縫均采用熔透焊縫，焊縫等級為二級。采用ANSYS 有限元程序對整體結構進行仿真分析, 基本荷載組合為1.4LL，LL 為水平反力標準值。經計算，屋面鋼結構提升時，LL 最大標準值為485kN。

圖5 抗震球鉸支座計算模型

圖6 抗震球鉸支座應力分布云

根據抗震球鉸支座應力分布云圖（圖6）得知，其最大應力為69.341MPa，且遠小于295MPa，滿足設計要求。

圖7 抗震球鉸支座變形分布云

根據抗震球鉸支座變形分布云圖（圖7）得知，其最大變形約為0.26mm，滿足設計要求。

2.2 提升平臺的有限元分析

采用有限元軟件MIDAS/Gen 對提升平臺進行分析計算。恒荷載DL，為支承結構自重，其自重由程序自動計算。提升荷載LL，為鋼結構提升時計算得到的提升反力。基本荷載組合為1.2DL+1.4LL。

2.2.1 應力比分布圖

圖8 屋面鋼結構提升平臺應力比分布圖

提升時，圖8 中桿件的最大應力比為0.56<1.0，滿足規范要求。

2.2.2 變形分布圖

提升時，圖9、圖10 支承結構最大豎向位移約為3mm。

2.3 屋面鋼結構的有限元分析

整個提升過程采用空間有限元程序MIDAS/Gen 仿真分析，其計算模型如圖11 所示。

圖9 屋面鋼結構提升平臺DXYZ 分布圖（單位：mm）

圖10 屋面鋼結構提升平臺DZ 分布圖（單位：mm）

圖11 整體提升的屋面鋼結構

2.3.1 應力比分布圖

鋼結構提升時，恒荷載DL 為結構自重，提升結構包括管桁架結構、檁條結構和女兒墻結構等，總重為412.45T，檁條結構、女兒墻結構重量平均分布在桁架結構上。風荷載W，按《重型結構和設備整體提升技術規范》（GB51162-2016）取標準風壓值0.25kPa。基本荷載組合為1.2DL+1.4W。

屋面鋼結構提升時，結構最大應力比約為0.62（見圖12），小于1.0，滿足設計規范要求。

2.3.2 變形分布圖

通過屋面鋼結構變形分布圖（圖13 和圖14）得知，結構跨中最大豎向變形約為44mm，提升點間距約為48000mm，變形為跨度的1/1090，滿足規范要求（不大于1/400）。

圖12 屋面鋼結構應力分布圖

圖13 屋面鋼結構DXYZ 分布圖（單位：mm）

圖14 屋面鋼結構DZ 分布圖（單位：mm）

通過以上計算結果可知，提升時，屋面鋼結構的強度、剛度均滿足設計和施工規范要求。

3 實施效果

本工程屋面鋼結構施工中采用了“液壓同步提升”施工技術，從地面拼裝至液壓提升設備拆除，歷經62 天，順利圓滿地完成了安裝任務。方案編制階段采用有限元分析軟件對球鉸支座、提升平臺和屋面鋼結構等進行了分析計算，安裝過程中利用分析所得數據并通過計算機控制實現同步提升，工程進度、質量和安全得到了有效保證，取得了良好的社會經濟效益。

4 結束語

目前，在我國大型鋼結構建筑施工中，整體提升技術的應用越來越廣泛，因此對臨時支撐、卸載設施和鋼結構本身在施工過程中的受力分析越來越重要，否則將帶來巨大的安全風險。因此，有限元（仿真）分析技術應用于大體積、大跨度、大噸位空間鋼結構的安裝，將大大地降低施工安全風險。