太原二青會(huì)終點(diǎn)塔懸掛鋼桁架結(jié)構(gòu)施工工況模擬分析

郭 宏,劉 凱,薛建英,鄒澤宇

(1.中北大學(xué)土木工程系，太原 030051；2.山西省四建集團(tuán)有限公司，太原 030051)

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)一些造型獨(dú)特、施工難度大的懸掛結(jié)構(gòu)。這類(lèi)建筑相較于傳統(tǒng)建筑造型更加多樣化，施工進(jìn)度快，施工成本低，抗震性能好，能夠?qū)⒔ㄖ囆g(shù)和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。蔡文華等[1-3]長(zhǎng)期致力于懸掛建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究，推導(dǎo)分析了懸掛建筑結(jié)構(gòu)不同材料下的穩(wěn)定性，石開(kāi)榮等[4]主要研究復(fù)雜懸掛結(jié)構(gòu)施工的模擬及監(jiān)測(cè)，都取得了豐富的成果。

在懸掛結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中，傳統(tǒng)的施工方法滿(mǎn)足不了施工要求，需要根據(jù)具體情況設(shè)置一些臨時(shí)支撐[5]，為了確保施工安全和結(jié)構(gòu)安全，需要對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)的施工狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和數(shù)值模擬。卸掉支撐后的變形是否符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求[6]是施工的關(guān)鍵點(diǎn)。拆除過(guò)程是臨時(shí)支撐的卸載過(guò)程，也是結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化和內(nèi)力重新分配的過(guò)程[7]，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從施工狀態(tài)過(guò)渡到設(shè)計(jì)狀態(tài)[8-9]。需要對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，掌握最佳的拆除時(shí)機(jī)，杜絕意外的發(fā)生[10]。

終點(diǎn)塔為不規(guī)則的懸掛鋼桁架結(jié)構(gòu)，工程緊鄰汾河，現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境復(fù)雜。通常情況下懸掛結(jié)構(gòu)施工以計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)確定施工方法及程序，方法簡(jiǎn)單、復(fù)核困難，安全可靠性不足。相較傳統(tǒng)桁架的由下往上的施工順序，考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，工程終點(diǎn)塔采用倒裝的順序，由上往下施加荷載，既是工程的難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)也是創(chuàng)新點(diǎn)。運(yùn)用MIDAS模擬了終點(diǎn)塔懸掛鋼桁架結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程[11]，得到的模擬值與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)值及計(jì)算值進(jìn)行比較分析，確定合理可行的施工方法，從而進(jìn)一步證明模擬的合理。

1 背景

1.1 工程概況

太原市水上運(yùn)動(dòng)中心西臨汾河，總建筑面積約2 000 m2，由奧地利設(shè)計(jì)師Roman設(shè)計(jì)。終點(diǎn)塔主體結(jié)構(gòu)采用懸掛式鋼桁架-混凝土核心筒體系，建筑高度21.8 m，是大懸挑懸掛結(jié)構(gòu)。

終點(diǎn)塔為本項(xiàng)目建設(shè)重點(diǎn)。屋面頂部采用鋼結(jié)構(gòu)桁架，終點(diǎn)塔的勁性鋼筋混凝土柱的鋼結(jié)構(gòu)部分是焊接箱型柱，懸掛柱是圓管鋼柱。終點(diǎn)塔和媒體中心的剛性柱、鋼梁、懸掛柱和桁架的鋼材為Q345B。鋼桁架節(jié)點(diǎn)和梁柱連接節(jié)點(diǎn)均為剛性節(jié)點(diǎn)，梁梁連接部分為鉸接。終點(diǎn)塔懸掛鋼桁架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖1所示。

圖1 終點(diǎn)塔鋼桁架結(jié)構(gòu)施工圖Fig.1 Construction drawing of the steel truss structure of terminal tower

1.2 懸掛結(jié)構(gòu)

懸掛在柱子上的屋頂或地板上的建筑物是懸掛式建筑物。這種建筑的特點(diǎn)最大程度的發(fā)揮了鋼材力學(xué)性能，進(jìn)一步增加了結(jié)構(gòu)的跨度和節(jié)約了材料的使用量，建筑的形式更加充滿(mǎn)想象的空間。常用的懸掛結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)形式采用懸臂梁式和拉桿式，如圖2所示。

圖2 常用的懸掛結(jié)構(gòu)體系Fig.2 Common suspension structure system

1.3 懸掛結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)

懸掛結(jié)構(gòu)可以將建筑藝術(shù)和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，能很好地滿(mǎn)足使用需要，但有一定的設(shè)計(jì)難度和施工難度。

(1)優(yōu)點(diǎn)：①基礎(chǔ)工程量小，工期大大縮短；②基礎(chǔ)不均勻沉降的影響較小；③節(jié)約鋼材用量，降低施工成本；④造型別致，易于穿插設(shè)計(jì)，平面布置更為靈活，藝術(shù)上有特色；⑤抗震性能良好。

(2)缺點(diǎn)：①建筑布置形式區(qū)別于傳統(tǒng)建筑的單一，較多樣化，所以結(jié)構(gòu)體系的受力十分復(fù)雜，建筑的穩(wěn)定性和抗傾覆能力較弱；②由于懸掛結(jié)構(gòu)的傳遞力的途徑改變，常規(guī)的施工方法不能滿(mǎn)足施工要求，所以在施工過(guò)程中不僅需要搭設(shè)滿(mǎn)堂腳手架，此外，需要根據(jù)具體情況設(shè)置一些臨時(shí)支撐，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性，在作用完成后卸載臨時(shí)支撐。

臨時(shí)支撐的作用是保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定以及增加建筑的整體穩(wěn)定性和空間剛度，在臨時(shí)支撐完成后，需要拆除它。為了確保拆除過(guò)程的順利實(shí)施，需要對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，掌握最佳的拆除時(shí)機(jī)，杜絕意外的發(fā)生。

2 施工方案

2.1 施工方案的比選確定

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)備情況，提出了兩種鋼桁架施工方案，并進(jìn)行比較。

2.1.1 方案一

方案一是高空作業(yè)拼裝成型。在核心筒周?chē)钤O(shè)滿(mǎn)堂腳手架，所有構(gòu)件設(shè)計(jì)標(biāo)高處利用槽鋼等作為安裝桁架的支撐，腳手架作為操作臺(tái)，工人在操作臺(tái)上完成后續(xù)的高空拼裝作業(yè)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于不影響其他工種的作業(yè)，也不會(huì)占用多余的場(chǎng)地，這種臨時(shí)支撐方案要求相對(duì)較低。缺點(diǎn)在于大量的構(gòu)件在空中進(jìn)行作業(yè)，加大了工人工作的難度，焊接的過(guò)程中變形等不好控制，再者是搭設(shè)腳手架耗時(shí)久，對(duì)工期會(huì)有影響。

2.1.2 方案二

方案二是在地面拼裝，然后用起重設(shè)備整體吊裝上去。前期對(duì)鋼構(gòu)件在加工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)拼裝，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量和記錄，屋面桁架在地面根據(jù)圖紙現(xiàn)場(chǎng)拼裝好，接著安裝桁架支撐柱用以臨時(shí)支撐胎架，然后用四臺(tái)大型汽車(chē)吊機(jī)對(duì)屋面桁架進(jìn)行整體吊裝，等屋面桁架安裝到位后，在對(duì)吊柱進(jìn)行安裝(吊柱及吊柱節(jié)點(diǎn)在加工廠拼裝焊接完成后整體運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)安裝)、支撐卸載、一層到三層平臺(tái)梁安裝、四層平臺(tái)梁安裝。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于地面拼裝，只需要搭設(shè)一定高度的施工操作臺(tái)就可以拼裝，費(fèi)用低時(shí)間短，缺點(diǎn)在于需要設(shè)置臨時(shí)支撐胎架，拆除臨時(shí)支撐胎架時(shí)需要模擬分析變形，進(jìn)行嚴(yán)格控制，判斷是否符合拆除的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范后在進(jìn)行卸載，防止出現(xiàn)坍塌或傾覆。

通過(guò)對(duì)兩種方案進(jìn)行優(yōu)化和比較，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工占線長(zhǎng)，施工組織難度大，分區(qū)分段施工，主要道路泥濘，雨季的現(xiàn)場(chǎng)交通運(yùn)輸也有一定的影響，工期時(shí)間短等因素，最終選擇了施工方案二進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。在現(xiàn)場(chǎng)施工之前，在頂部鋼桁架的末端放置一組臨時(shí)支撐胎架。

2.2 設(shè)置臨時(shí)支撐

終點(diǎn)塔頂部鋼桁架的拼裝是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的重中之重，整個(gè)終點(diǎn)塔鋼結(jié)構(gòu)安裝順序?yàn)榈寡b。根據(jù)上訴所選方案進(jìn)行施工安裝，主、次桁架進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后在胎架上拼裝成整體后進(jìn)行吊裝，故桁架的拼裝精度尤為重要。終端塔頂部的鋼桁架高度高，質(zhì)量大，懸臂端長(zhǎng)度大，長(zhǎng)度達(dá)16 m。為了保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，頂部鋼桁架在吊裝就位的過(guò)程必須采用臨時(shí)支撐方案，在其末端設(shè)置一組臨時(shí)支撐胎架，作為固定點(diǎn)來(lái)進(jìn)行施工安裝，等頂部鋼桁架安裝完成后再卸載臨時(shí)支撐胎架。經(jīng)過(guò)計(jì)算，支撐胎架采用四根Q235 600 mm×15 mm直縫焊管，頂部橫梁采用400 mm×200 mm×8 mm×13 mm熱軋H型鋼，橫撐及斜撐采用300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm熱軋H型鋼，橫梁外側(cè)設(shè)置擋板，每根橫梁上部設(shè)置2臺(tái)50噸機(jī)械式千斤頂，共4臺(tái)，可作為桁架的輔助微調(diào)。臨時(shí)支撐桁架Revit模型如圖3所示。

圖3 臨時(shí)支撐桁架施工圖Fig.3 Construction drawing of temporary support truss

2.3 臨時(shí)支撐卸載

在拆除臨時(shí)支撐框架的過(guò)程中，不僅是臨時(shí)支撐框架移除的過(guò)程，而且是重新分配結(jié)構(gòu)受力的過(guò)程。如果操作不當(dāng)，就可能破壞整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以準(zhǔn)備工作中要選擇合適的卸載工藝及次序。

頂部鋼桁架末端處設(shè)置臨時(shí)支撐導(dǎo)致懸臂桁架的施工狀態(tài)與設(shè)計(jì)應(yīng)力狀態(tài)不同。在具有臨時(shí)支撐的鋼桁架的情況下，其自身質(zhì)量由端部鋼柱和支撐框架共享。頂部鋼桁架受自身重力的影響發(fā)生位移，桿件內(nèi)力也隨之改變，引發(fā)變形。為了確保安全施工，在卸載前，按照之前的卸載思路，利用MIDAS設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析，模擬該工程頂部鋼桁架末端卸載臨時(shí)支撐胎架后的最大位移，確定卸載順序和步驟以確保施工安全。

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及階段施工模擬分析的結(jié)果，對(duì)于懸挑部位將按照同步的卸載思路進(jìn)行拆除。單個(gè)卸載高度為5 mm，螺旋千斤頂用作主卸載工具[12]。通過(guò)千斤頂?shù)纳担菇Y(jié)構(gòu)按方案設(shè)計(jì)的行程回落，結(jié)構(gòu)進(jìn)入設(shè)計(jì)狀態(tài)。具體過(guò)程如下。

(1)根據(jù)支撐點(diǎn)的反力情況，選擇500 kN螺旋千斤頂作為主要卸載設(shè)備。

(2)每次下降千斤頂時(shí)，間隔大于10 min，以確保內(nèi)力調(diào)整和結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的重新分配。

(3)為了控制卸載速度，規(guī)定每個(gè)旋轉(zhuǎn)螺旋千斤頂?shù)陌肴κ切遁d行程的控制單元。轉(zhuǎn)速控制在5 s內(nèi)完成，等待檢測(cè)完成并在開(kāi)始下一個(gè)動(dòng)作之前重新獲取卸載命令。

(4)必須統(tǒng)一卸載，確保通信設(shè)備暢通并嚴(yán)格執(zhí)行統(tǒng)一指令。

(5)在卸載過(guò)程中為了便于控制，根據(jù)卸載的位移值，在千斤頂?shù)男谐虠U上標(biāo)記每階段卸載完成的對(duì)應(yīng)位置。

3 模擬分析

3.1 安裝過(guò)程

根據(jù)最終確定的吊裝施工方案，階段施工計(jì)算主要是針對(duì)懸掛鋼桁架的安裝進(jìn)行階段施工模擬分析[13]，同時(shí)考慮臨時(shí)支撐點(diǎn)的布置和釋放對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，階段施工分析主要荷載為結(jié)構(gòu)自重(分項(xiàng)系數(shù)1.35，組合系數(shù)1)及施工負(fù)荷(1.5 kN/m2，分項(xiàng)系數(shù)1.4，組合系數(shù)0.7)。

根據(jù)方案結(jié)構(gòu)體系，結(jié)合總體安裝思路，第一階段在主桁架下弦端部下方設(shè)置一組支撐胎架，規(guī)格為600 mm×15 mm直縫焊管；第二階段將頂部桁架吊裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高處，本階段桁架吊車(chē)撤出后，桁架下弦與混凝土勁性柱由于尚未焊接牢靠，節(jié)點(diǎn)定義為鉸接；第三階段安裝核心筒周?chē)踔藭r(shí)桁架下弦與混凝土勁性柱由于已焊接牢靠，節(jié)點(diǎn)定義為剛接；第四階段預(yù)計(jì)桁架下弦核心筒處混凝土已達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度，因此本階段撤除支撐柱。剩余的懸掛柱和第二層梁安裝在第五～第六階段；在第七階段，地板梁逐層安裝，直到安裝完成。

分析軟件使用空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件MIDAS進(jìn)行施工過(guò)程的計(jì)算；材料力學(xué)機(jī)械性能如表1所示。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameter

根據(jù)實(shí)際條件，選擇了MIDAS，該軟件較為成熟、易于操作，與其他軟件銜接方便。下面是使用MIDAS軟件模擬整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程，為了更真實(shí)，更全面地反映施工過(guò)程，按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行主要結(jié)構(gòu)建模，對(duì)吊裝的施工過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。終點(diǎn)塔鋼結(jié)構(gòu)安裝順序如圖4所示。

3.2 模擬分析目的

(1)分析安裝、卸載整個(gè)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全性。

(2)通過(guò)計(jì)算分析數(shù)據(jù)，為施工過(guò)程提供參考和依據(jù)。

(3)對(duì)安裝完后的結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)之間的差異進(jìn)行評(píng)估，以確定安裝方案是否可行。

圖4 模擬安裝順序圖Fig.4 Sequence diagram of simulation installation

(4)為施工措施提供科學(xué)依據(jù)，如通過(guò)施工模擬來(lái)確定臨時(shí)支撐卸載的流程。

3.3 模擬分析內(nèi)容

(1)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程的施工方法和施工工序，檢查施工階段結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度。

(2)施工階段的臨時(shí)支撐和措施按施工狀況的荷載作用，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度驗(yàn)算。

(3)分析并計(jì)算臨時(shí)支撐的拆除順序和步驟。

(4)對(duì)吊裝狀態(tài)的構(gòu)件或單元，進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和變形驗(yàn)算。

3.4 鋼桁架變形模擬分析

在工程屋面桁架構(gòu)件，按設(shè)計(jì)要求主桁架預(yù)起拱40 mm，桁架最終下?lián)细叨炔坏贸^(guò)40 mm。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在頂部鋼桁架的末端，做好標(biāo)記，在卸載過(guò)程中進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，詳細(xì)記載過(guò)程中的相關(guān)記錄，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和連續(xù)性。MIDAS模擬分析得到的下?lián)隙葦?shù)值，如表2所示。頂部鋼桁架末端下?lián)隙葹?9 mm，符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。卸載臨時(shí)支撐后的位移變形如圖5所示。

表2 模擬分析撓度Table 2 Simulation analysis of deflection

注：根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)，設(shè)計(jì)允許撓度Vt=l/400=40 mm，其中Vt為下?lián)隙龋琹為懸臂段長(zhǎng)度。

圖5 桁架自重位移圖Fig.5 Displacement diagram of truss with dead weight

4 模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的比較

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

終點(diǎn)塔鋼桁架吊裝質(zhì)量為150 t，頂部鋼桁架懸挑部分長(zhǎng)度達(dá)到了16 m，且現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境復(fù)雜，西北側(cè)有現(xiàn)場(chǎng)護(hù)坡，東南邊緊臨汾河，桁架設(shè)計(jì)高度為21.8 m，現(xiàn)場(chǎng)的施工高度超過(guò)25 m，給測(cè)點(diǎn)的設(shè)置帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)比較分析，最終確定觀察點(diǎn)設(shè)置在桁架的支撐點(diǎn)上，并且必須標(biāo)記每個(gè)測(cè)點(diǎn)，確保測(cè)量點(diǎn)在卸載前后處于相同位置，并在安裝和卸載主桁架之前用全站儀測(cè)量每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程。在卸載之后，再次測(cè)量先前的觀察點(diǎn)，并且比較高度變化[12]，得出下?lián)隙取＝Y(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖6所示。

單位：mm圖6 結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.6 Position of structures monitoring point

在鋼桁架的支撐點(diǎn)設(shè)置觀察點(diǎn)，并確保測(cè)點(diǎn)在卸載前后處于相同位置。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的實(shí)際下?lián)隙葦?shù)值如表3所示。

4.2 結(jié)果的比較分析

懸掛結(jié)構(gòu)撓度對(duì)比分析如表4所示。通過(guò)軟件計(jì)算模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：在卸載過(guò)程中，桁架自重下沉數(shù)據(jù)一樣，模擬值和實(shí)測(cè)值均為7 mm；鋼柱、鋼梁安裝后模擬值比實(shí)測(cè)值小3 mm；兩組數(shù)據(jù)相差較明顯出現(xiàn)在混凝土澆筑完成后的位移量，模擬值比實(shí)測(cè)值小4 mm；幕墻安裝完成后下沉量一樣。同一支撐點(diǎn)的模擬值與實(shí)測(cè)值相差變化不大，結(jié)果相對(duì)接近，說(shuō)明模擬方法中確定的卸載時(shí)間和卸載順序的合理性[14-15]。模擬值相對(duì)于實(shí)測(cè)值偏小，這主要是由于卸載過(guò)程中一些不確定的因素造成的：如卸載不充分，監(jiān)測(cè)時(shí)終點(diǎn)塔內(nèi)有堆積物沒(méi)有卸載完成，觀測(cè)時(shí)間受到夏天雨季影響，受到現(xiàn)場(chǎng)條件限制等。設(shè)計(jì)允許撓度值為40 mm，在整個(gè)施工過(guò)程中，模擬值與實(shí)測(cè)值均符合設(shè)計(jì)要求，證明了模擬的合理性。

表3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)撓度Table 3 Field measured deflection

注：根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)，設(shè)計(jì)允許撓度Vt=l/400=40 mm。

表4 撓度對(duì)比分析Table 4 Comparative analysis of deflection

5 結(jié)論

太原二青會(huì)水上運(yùn)動(dòng)中心終點(diǎn)塔能夠落地的豎向構(gòu)件較少，整體懸挑較大，施工難度大。為了確保施工安全和結(jié)構(gòu)安全，以實(shí)際施工工藝流程為前提，用MIDAS軟件對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)的施工狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

(1)分析了頂部鋼桁架臨時(shí)支撐胎架的卸載過(guò)程，為卸載過(guò)程中的受力及鋼桁架的變形情況提供依據(jù)；并通過(guò)實(shí)測(cè)值與模擬值的分析比較，證明了模擬的合理性。

(2)以螺旋千斤頂作為卸載主要設(shè)備，易于控制頂部鋼桁架端部的變形情況，使用情況良好。

(3)工程模擬較為順利，成功將結(jié)構(gòu)體系由施工狀態(tài)過(guò)渡到設(shè)計(jì)狀態(tài)，為其他類(lèi)似懸掛結(jié)構(gòu)的模擬及施工提供了借鑒。