頂部斜拉式跨河道多層鋼框架施工技術及模擬分析*

曲 揚，劉書冬，謝 波，邱 健，王文晉，程建軍

(中建八局第三建設有限公司，江蘇 南京 210046)

0 引言

隨著我國建筑業的蓬勃發展，鋼與索膜結構被廣泛應用于會展中心等公共建筑，鋼-索混合結構在體育場類的大跨度建筑中也已屢見不鮮[1-3]。隨著各類鋼-索混合結構體系的逐漸涌現，施工吊裝順序、平面場地布置、傳力路徑轉換、拉索張拉工藝、過程變形控制及邊界條件轉換等施工關鍵問題成為研究重點[4-6]。此類結構受力機制復雜、施工效應顯著，為避免施工不當導致結構局部損傷、剛度退化、變形過大甚至整體失穩，合理的施工工藝、準確的模擬分析及科學的健康監測，是保證施工安全的可靠手段[7]。

1 工程概況

西交利物浦大學太倉校區位于江蘇省蘇州市，項目整體呈環形分布，包括7幢U形教學樓單體、2幢圓形教學樓單體和1座體育館多功能廳，建筑面積27.25萬m2，總用鋼量達1.2萬t，如圖1所示。Y字形內河道穿過校園，將教學區分為3塊，采用頂部斜拉式大跨度多層鋼框架結構(簡稱“跨河連接體”)跨河道連接教學樓，如圖2所示。教學樓頂部為周長1 000m的圓環鋼結構，將整個校園連為一體。

圖1 西交利物浦大學太倉校區效果

圖2 跨河連接體效果

2 中心擴展法施工工藝

2.1 結構體系

跨河連接體結構高30.6m，跨度為92.2m，柱距為38.8m，用鋼量達3 000t。結構由4根φ2 100鋼管混凝土柱支承，下設2座22.8m×13.2m×3.6m大體積混凝土承臺作為剛性支座，上部結構為3層鋼框架連廊，由16組高釩密閉鋼絲雙索吊掛，將樓層豎向荷載傳遞至支承柱，索長25m、直徑120mm。頂部為屋頂圓環鋼結構，采用平面框架體系。結構外立面均采用全玻璃幕墻圍護，頂部圓環采用漸變色鋁板包裹。跨河連接體兩側均設置變形縫，與兩側教學樓相互獨立[8]。

2.2 施工次序

由于兩側均為在施教學樓，受限于場地條件，跨河連接體鋼構件最大吊重為60t，最長吊距為30m，因此，選用1臺250t履帶式起重機和2臺80t汽車式起重機配合吊裝。

中心擴展法施工次序如圖3所示。施工過程中，首先澆筑大體積混凝土承臺，形成支座，然后吊裝勁性支承柱，綁扎并澆筑柱間剪力墻。鋼框架吊裝階段，首先安裝核心區支撐胎架，在胎架基礎上自下而上逐層安裝核心區鋼框架直至屋頂圓環鋼結構。完成核心區鋼結構吊裝后，安裝懸挑段支撐胎架并自下而上吊裝懸挑段鋼構件，實現鋼框架逐層擴展。吊裝過程中，對勁性支承柱關鍵梁柱節點進行鉸接處理。

圖3 中心擴展法施工次序

完成全部吊裝作業后，安裝斜拉索，采用5級對稱式循環張拉，即將斜拉索分為勁性柱內、外側，張拉分為5級，每級拉力取設計索力的20%，每級張拉先同步張拉勁性柱內側，再同步張拉勁性柱外側，以此循環張拉，確保拉索吊掛力均為對稱式加載，從而控制不對稱拉力引起的結構傾斜。隨后進行胎架自然卸載，最終達到設計索力。最后鋪設并澆筑樓承板，完成關鍵節點剛接處理。

2.3 工藝效果

1)逐層擴展 將核心區鋼框架與懸挑段鋼構件分開吊裝，即在核心區吊裝完畢后，吊裝機械逐步外退吊裝懸挑段，鋼框架實現逐層擴展安裝至設計位形的同時，最大程度地節省吊裝場地，減小吊裝半徑，節約機械投入。

2)循環擴展 采用5級對稱式循環張拉工藝進行斜拉索張拉，使索體拉力循環擴展張拉至設計索力，確保施工安全，提高安全冗余。

3)逐級擴展 斜拉索張拉后，鋼框架已吊掛并產生變形，此時關鍵節點為鉸接，可提前釋放節點次彎矩。隨著墻體、面層、幕墻等施工加載，建筑荷載逐級擴展至與拉索吊掛力接近，形成平衡狀態，此時鋼框架變形趨于水平、穩定，再進行關鍵節點剛接處理，而后鋪設并澆筑樓承板，可提升成型質量，減少開裂隱患。

3 施工過程模擬分析

3.1 計算模型

采用MIDAS對跨河連接體整體模型進行施工過程模擬分析，計算模型如圖4所示。采用ANSYS Workbench對拉索節點進行施工過程有限元模擬分析，實體模型如圖5所示。

圖4 跨河連接體整體模型

圖5 拉索節點實體模型

3.2 施工荷載

根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》要求，荷載及各項系數取值為：構件自重由程序自動計算，安全系數取1.1；施工活荷載按2.0kN/m2逐層考慮；構件吊裝動力系數取1.3；內力驗算時，恒荷載分項系數取1.3，活荷載分項系數取1.5。

3.3 邊界條件

為保證模擬分析的可靠性，將勁性支承柱納入整體模型中，柱下大體積承臺作為剛性支座考慮。跨河連接體兩側由于變形縫斷開，無支座約束。勁性支承柱關鍵梁柱節點在施加建筑荷載前為鉸接，而后轉為剛接。拉索節點實體模型中，鋼柱上、下端為固定端，錨具端頭施加張拉力。

3.4 結果分析

針對跨河連接體整體模型進行施工過程模擬分析，根據中心擴展法施工工藝，將施工過程劃分為38個施工步。計算結果表明，在斜拉索張拉前一施工步，鋼構件應力達到最大，為144.41MPa(見圖6a)，應力比控制在0.5以內，位于4層鋼梁處；斜拉索張拉后，傳力路徑轉換，鋼構件最大應力位于勁性柱處；在臨時支撐卸載施工步，結構變形達到最大，為48.27mm(見圖6b)。應力與變形均滿足規范要求。

針對拉索節點5級對稱式循環張拉過程進行有限元模擬分析，提取Von Mises應力，如圖7所示。計算結果表明，耳板最大應力為148.35MPa，位于耳板與鋼柱連接處，材料屈服強度為400MPa；銷軸最大應力為263.12MPa，位于下孔銷軸與耳板連接處，材料屈服強度為785MPa，兩者應力均小于其屈服強度，最大應力比均控制在0.4以內，應力分布合理，且留有較多余量。

圖7 拉索節點應力云圖(單位：MPa)

4 施工過程健康監測

4.1 測點布置

為保證施工過程中及施工完成后運營期間結構各種工作狀態滿足設計要求，準確評估其力學狀態和可能出現的損傷，需合理布置健康監測的測點點位[9-11]。

由于跨河連接體結構體系新穎，傳力路徑復雜，需對構件應力應變、結構變形、不均勻沉降及振動加速度等進行監測，共布置260個測點，測點統計如表1所示。

表1 健康監測測點統計

4.2 監測結果分析

以典型斜拉索張拉力和索節點應力的監測結果為例進行評估分析，對比分析實測值與設計值，如圖8，9所示。結果表明，斜拉索分級張拉力與設計索力吻合度較高，卸載后相對誤差僅為3.7%，張拉過程中相對誤差控制在10%以內；索節點應力實測值普遍小于設計值，最大誤差達18%，這是由于有限元分析中采取了較保守的計算方法和本構模型，高估了索節點應力應變。監測評估結果表明，結構健康監測與模擬分析基本吻合，索拉力可在結構卸載后達到設計值，施工過程具備富足的安全儲備。

圖8 斜拉索分級張拉索力對比

圖9 索節點應力對比

5 結語

1)針對頂部斜拉式大跨度多層鋼框架結構，采用中心擴展法施工工藝進行施工，使鋼框架逐層擴展安裝至設計位形，斜拉索力循環擴展張拉至設計索力，建筑荷載逐級擴展加載至與吊掛力平衡，最終實現節約機械投入、提高成型質量、確保施工安全的效果。

2)采用MIDAS對施工過程進行模擬分析，施工步按中心擴展法施工工藝劃分。構件最大應力為144.41MPa，結構最大變形為48.27mm，構件應力比均控制在0.5以內，具有富足的安全儲備。

3)采用ANSYS Workbench對斜拉索節點進行有限元分析，在5級對稱式循環張拉施工過程中，耳板最大應力達148.35MPa，銷軸最大應力達263.12MPa，最大應力比均控制在0.4以內，滿足施工安全性要求。

4)施工過程中，對鋼結構吊裝和索體分級張拉進行健康監測和評估。結果表明，鋼結構吊裝過程力學狀態與模擬分析基本吻合，斜拉索采用5級張拉可在結構卸載后達到設計索力。