預應力鋼結構體系中有限元模擬+試驗引路技術

賈海波，郭 寧，王 超，王云升

（中建八局第二建設有限公司，山東 濟南 250014）

在鋼結構設計中，由于人們對建筑造型的個性、辨識度要求日益提高，新穎造型、復雜結構層出不窮，從而形成設計卓越，施工困難的局勢，結構復雜，施工中無法通過施工經驗進行結構受力分析，鋼拉桿材料制作技術的提高以及預應力鋼拉桿張拉施工技術日益成熟，預應力鋼結構在國內外大型工程項目中得到廣泛應用，有限元模擬與試驗引路可操作性強，成本低，對于復雜結構出具施工方案有較大指導意義，本工程采用有限元軟件施工全過程模擬，并經現場試驗施工驗證，順利完成預應力鋼結構體系的施工任務。

1 工程概況

國內某項目為預應力鋼拉桿懸掛螺旋鋼結構坡道鋼結構體系，體系主要包含：直徑為44.8m、安裝傾斜角度為8.5°、高度為3m的圓形傾斜管桁架、寬3m、總長度約280m、重約205t室外螺旋形鋼結構坡道、64根直徑為40mm、屈服荷載不小于816KN的預應力鋼拉桿，鋼結構體系總重計約679.43t，材質均為Q345B。屋面標高31.1米，項目地面以上觀景螺旋鋼結構坡道采用預應力拉桿懸掛結構。該懸掛拉桿結構不同于一般拉桿結構，除兩端張拉固定外，拉桿中間還需要支撐坡道鋼梁，體系內鋼拉桿不但需要承受坡道豎向集中荷載，拉桿體系還需要承受坡道橫向荷載，并需要一定的剛度以滿足水平變形要求。此外，鋼拉桿上端為懸挑鋼屋蓋結構，下端為混凝土結構，邊界支承結構的剛度有限，屋蓋與鋼拉桿之間受力相互影響，需要對懸掛坡道的豎向支撐構件-鋼拉桿進行細致的受力研究。

經查詢，因為該結構體系為國內首次應用，無規范及施工先例可借鑒，屋面管桁架傾斜放置，螺旋形鋼結構坡道坡度存在不均勻變化，預應力鋼拉桿張拉過程整個結構存在彈性形變，同步張拉困難，鋼拉桿與鋼結構坡道連接節點難處理，結構復雜，施工難度較大，項目提出有限元模擬+試驗引路技術指導施工。

2 技術實施部署

2.1 工藝簡介

本工程施工階段采用Midas civil有限元分析軟件，對施工全過程進行受力、變形模擬分析，其中鋼結構采用梁單元，鋼拉桿采用桁架單元.，全模型節點共計2414，單元共計5307個。預應力鋼拉桿施工采用“對稱分組分級”方式模擬現場施工。根據軟件分析進行現場試驗施工，對試驗模型布置應力監測點，通過試驗施工應力檢測與模擬數據對比指導實際施工方案。

圖1 試驗施工模型圖

2.2 工藝原理

在實體施工前采用有限元分析軟件對整個結構體系進行模擬施工分析，并將實體施工過程中的監測數據與模擬數據進行對比，確保施工過程與原設計思路一致。使用有限元軟件按照施工設想施工階段劃分，模擬安裝屋蓋管桁架、千斤頂對稱模擬張拉安裝鋼拉桿，直到接近設計預緊力（頂240kN，底200 kN），這樣做的目的是使鋼拉桿在安裝螺旋鋼結構坡道之前，使鋼拉桿完成變形，保證轉梯安裝平順，螺旋鋼結構坡道模擬安裝，軟件調索使鋼拉桿內力逼近設計值。

根據軟件輸出數據，通過現場試驗施工，特別是預應力鋼拉桿張拉模擬，能夠直觀的、更貼切現場施工，對出具施工方案具有指導意義。

2.3 具體流程

確定模擬計算環境→設定模擬邊界條件、模型荷載分析→屋面管桁架受力分析→分步、分級對稱張拉模擬→每步張拉施工結構體系受力、形變分析→鋼結構螺旋坡道施工模擬→模擬完成受力分析→試驗施工施工檢測點布置→試驗安裝→分級對稱張拉→鋼拉桿及屋面管桁架受力分析。

2.4 工藝說明

2.4.1 屋面管桁架模擬安裝

圖3 立面傳感器立面布置圖

利用Midas在建立完整的屋面管桁架模型，分析屋面管桁架安裝完成后最大形變值與受力情況。在自重條件下管桁架最大變形在4mm。最大等效應力43MPa。

圖2 屋面管桁架模型圖

2.4.2 預應力鋼拉桿模擬張拉施工

為更好分析鋼拉桿在張拉過程中整個結構整體受力變化，每4根鋼拉桿為一組由外側鋼拉桿至內側依次進行模擬對稱張拉，張拉過程中張拉制力為280KN，分16步完成張拉。

在張拉過程中使用軟件進行應力分析，由多次模擬發現，進行外側預應力張拉調整時，內側鋼拉桿會損失應力值，對內外側鋼拉桿進行4次應力調整后，底部與頂部同時分別達到200KN與240KN，然后進行螺旋形鋼結構坡道模擬安裝，采用9批次對稱安裝螺旋坡道，安裝完成后進行最終張拉調整，模擬中每臺千斤頂平均每臺設備張拉52次。

2.4.3 預應力鋼拉桿模擬張拉受力級形變分析

在第一次整體張拉完成之前，預應力鋼拉桿每一步張拉過程中及張拉完成后，利用軟件全程對屋面管桁架、預應力鋼拉桿與螺旋形鋼坡結構道連接節點的應力與變形進行詳細分析。

經軟件受力分析發現外側張拉與內測張拉過程中會損失應力，需要進行調索，每一步調索過程中對應力進行全程檢測，直到最終張拉結束。

2.4.4 現場模擬施工

根據該建筑的鋼結構的受力特點及計算分析所得到的鋼構件的應力分布規律及數據，分層分標高布置應力監測點。

明確現場張拉順序每一步張拉施加荷載時間，根據每一步張拉中各拉桿的應變曲線對比圖，分析拉桿的上、中、下三段的應力變化曲線趨勢，應力值分布趨勢，分析在桿件張拉到位固定并拆除張拉設備后，拉桿的應力值變化趨勢。拉桿張拉過程中，監測其余未張拉拉桿應力變化。

計算各鋼拉桿的最終拉應力平均值，根據模擬計算結果，分析加載后的最終拉應力值。與模擬施工數據偏差，是否小于Q345鋼材的限值305MPa，通過分析加載的總荷載值達到設計的要求，所監測的鋼構件的應力值基本處于Q345的限值305MPa范圍內，對實際施工起指導作用。

根據有限元模擬+試驗引路技術保證施工效果能夠滿足設計要求，在實體施工前經過有限元軟件受力分析模擬完成后，現場進行張拉實驗段施工，并根據需求現場進行試驗段施工，特點為全過程模擬施工能夠完整的展示施工全過程結構受力與主要受力結構變形情況，能夠直觀的了解結構受力發生的形變，對施工制定方案有借鑒性，試驗施工彌補根據有限元軟件全過程的施工模擬以及受力分析中的說服性不足。

3 結語

通過采用有限元模擬+試驗引路技術，解決了本工程復雜體系鋼結構遇到的施工技術難題，在保證工期的情況下，可加快施工效率、降低材料損耗，達到了降耗增效、環境保護、增加經濟效益的效果，提升了復雜鋼結構施工的技術水平，為今后預應力鋼拉桿設計的發展奠定了基礎。同時對于類似預應力鋼拉桿懸掛鋼結構體系亦有很強的借鑒經驗。”