大懸挑SRC空間桁架結(jié)構(gòu)施工全過程力學(xué)特性分析

陳兵章

(中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司 甘肅蘭州 730000)

1 引言

研究大懸挑SRC空間桁架結(jié)構(gòu)施工過程必然涉及施工力學(xué)，相較而言，施工力學(xué)在土木工程理論上屬于較為前沿的學(xué)科方向[1－2]。

針對鋼管柱、鋼板剪力墻容易在達(dá)到極限承載力前發(fā)生局部屈曲，為提高鋼板的平面穩(wěn)定能力，於立雄[3]采用ABAQUS對縱凸筋板在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可行性進(jìn)行分析探討。Noor等[4]提出了幾何非線性和材料非線性空間桁架在組合荷載作用下失穩(wěn)分析的簡化方法和計(jì)算步驟。Blnimeiri等[5]充分考慮混凝土長期使用性能，提出了鋼筋混凝土柱、墻體及混合結(jié)構(gòu)體系的長期使用性能預(yù)測方法。以金建鐵路新安江特大橋(112＋216＋112)m部分斜拉橋?yàn)檠芯繉ο螅嘯6]對其總體設(shè)計(jì)、主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、橋梁主體上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，對其整體力學(xué)性能進(jìn)行全面分析。Kozy等[7]研究了管桁架結(jié)構(gòu)承載破壞的極限狀態(tài)。王光遠(yuǎn)[8]系統(tǒng)介紹了時變結(jié)構(gòu)力學(xué)，并提出時間凍結(jié)方法。郭彥林等[9]提出關(guān)于大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題的求解思路及分析方法。Pan等[10]研究了高層混凝土結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的收縮變形問題。張建華等[11]以某索穹頂結(jié)構(gòu)為例，通過考慮結(jié)構(gòu)時變效應(yīng)，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全過程跟蹤分析。薛亦聰?shù)萚12]提出了基于強(qiáng)度疊加法的SRC短柱受剪承載力計(jì)算模型。

綜上所述，大懸挑SRC空間桁架結(jié)構(gòu)分析的難點(diǎn)在于沒有更多的前例及經(jīng)驗(yàn)可以依照，每個結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行專門的施工方案設(shè)計(jì)，且目前研究多集中于新型結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)。本文將從實(shí)際出發(fā)，采用“生死”單元法，利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行模擬分析，得到結(jié)構(gòu)在施工過程中的力學(xué)響應(yīng)，進(jìn)而起到指導(dǎo)結(jié)構(gòu)施工、保證結(jié)構(gòu)安全性的作用。

2 分析模型及施工方案

2.1 工程概況

廣東省某市規(guī)劃展覽館項(xiàng)目總建筑面積為15 992.77 m2，地下一層、地上二層，建筑總高度23.2 m。建筑物在北側(cè)屋面最大懸挑長度24 m，南屋面最大懸挑長度15 m。懸挑結(jié)構(gòu)主要采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，有HJ1、HJ2、HJ3及HJ4四種類型。本工程采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)＋局部鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)形式，主體墻混凝土強(qiáng)度等級為C60，其余構(gòu)件均采用C35混凝土，鋼材材質(zhì)Q345B。二層梁采用型鋼混凝土構(gòu)件，屋面梁采用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

2.2 數(shù)值模型

(1)幾何模型建立

采用有限元軟件對項(xiàng)目進(jìn)行1∶1幾何模型構(gòu)建，涉及的截面類型共50種。

(2)單元選取及材料參數(shù)

按照結(jié)構(gòu)及分析的特點(diǎn)，本模型梁、柱采用Beam189單元，樓板采用Shell181單元，混凝土采用的強(qiáng)度等級為C35，鋼材采用Q345B。臨時支撐體系采用Link180單元，均采用0.6×0.6 m截面形式，立柱鋼管采用?102×5型號，腹桿鋼管采用?60×3型號。

(3)邊界條件及荷載

本模型柱腳端均采用剛性邊界，南向梁端采用約束橫向、縱向平動自由度及橫向轉(zhuǎn)動自由度的邊界。根據(jù)?建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范?(GB 50009—2012)，通過對比計(jì)算，本文使用以可變荷載效應(yīng)控制的組合進(jìn)行分析。

2.3 施工方案模擬

本結(jié)構(gòu)共劃分為10個施工階段進(jìn)行數(shù)值分析，擬定A、B兩個施工方案。通過對內(nèi)力(軸力、彎矩及剪力)、應(yīng)力等數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，得出最優(yōu)方案。兩種方案具體施工順序見表1。

表1 兩種方案施工順序

3 結(jié)構(gòu)全過程施工力學(xué)特性分析

選取二層梁、結(jié)構(gòu)柱、HJ3及HJ4桁架、屋面梁作為分析對象，分階段研究各個對象施工力學(xué)特性。限于篇幅，本文僅給出二層梁內(nèi)力圖，方案A和B由于HJ4桁架與屋面梁在內(nèi)力方面無明顯區(qū)別，故不再贅述。

3.1 軸力

按照A、B兩種施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)軸力進(jìn)行對比分析，兩方案區(qū)別主要體現(xiàn)在施工階段CS3～CS6之間。

(1)二層梁軸力

基于有限元數(shù)值分析結(jié)果，將A、B方案的二層梁各階段軸力最值進(jìn)行匯總，如圖1所示。

圖1 二層梁軸力變化曲線

由圖1可看出，二層梁軸力總體分為兩階段:在CS7之前，其軸向拉壓力較小，數(shù)值變化量小；在CS7階段，軸力明顯增大，這是由于樓板施工的影響，其后表現(xiàn)較為平緩，數(shù)值變化量小。對比方案A、B二層梁軸力最值，數(shù)值表現(xiàn)并不明顯，可以認(rèn)為兩方案并無明顯的優(yōu)劣之分。

(2)結(jié)構(gòu)柱軸力

基于有限元數(shù)值分析結(jié)果，將A、B方案的結(jié)構(gòu)柱各階段軸力最值進(jìn)行匯總，方案A和B結(jié)構(gòu)柱軸拉力隨著施工的進(jìn)行其數(shù)值基本保持不變，而軸壓力基本上呈現(xiàn)隨著施工的進(jìn)行數(shù)值逐漸增大的趨勢。相較方案B，方案A軸壓力對應(yīng)不同施工段的最值明顯較小，在 CS5時兩者相差最大，差值為163.775 kN，最大優(yōu)化效果為16.68%(優(yōu)化效果是指對應(yīng)施工段處內(nèi)力差值與較大值的比值，下同)，因此，就結(jié)構(gòu)柱軸力而言方案A更優(yōu)。

(3)桁架HJ3軸力

基于有限元數(shù)值分析結(jié)果，將A、B方案的桁架HJ3各階段軸力最值進(jìn)行匯總，桁架HJ3軸力最值總體呈現(xiàn)隨施工段的進(jìn)行有增大的趨勢。因兩方案針對桁架HJ3施工無對應(yīng)的施工段進(jìn)行對比，且兩方案軸力最值的初始值相差不大，因此，兩種方案也視為無優(yōu)劣之分。

通過以上研究，對比方案A、B可發(fā)現(xiàn)，方案A軸力圖線總體上表現(xiàn)更為平緩，說明方案A的施工順序更具合理性，且結(jié)構(gòu)柱軸力最值有明顯差異，表現(xiàn)為方案A更優(yōu)，其最大優(yōu)化效果為16.68%。因此，就結(jié)構(gòu)軸力表現(xiàn)而言，方案A更優(yōu)。

3.2 彎矩

(1)二層梁彎矩

基于有限元數(shù)值分析結(jié)果，將A、B方案的二層梁各階段彎矩最值進(jìn)行匯總，如圖2所示。

圖2 二層梁彎矩變化曲線

由圖2可看出，二層梁彎矩最值總體呈現(xiàn)隨施工段進(jìn)行而逐漸減小的趨勢。對比方案A、B，在相應(yīng)的區(qū)別施工段處，方案A相比方案B其彎矩最值明顯更小，在 CS5時兩者相差最大，最大差值46.090 kN˙m，最大優(yōu)化效果為15.17%。因此，就二層梁彎矩而言方案A更優(yōu)。

(2)結(jié)構(gòu)柱彎矩

結(jié)構(gòu)柱彎矩最值總體上呈現(xiàn)隨著施工段進(jìn)行而逐漸減小的趨勢，且施工段內(nèi)，其彎矩最值變化量較小。方案A最值明顯較小，在CS5時兩者相差最大，最大差值為38.604 kN˙m，最大優(yōu)化效果為28.08%。因此，就結(jié)構(gòu)柱彎矩而言方案A更優(yōu)。

(3)桁架HJ3彎矩

桁架HJ3彎矩最值總體上呈現(xiàn)隨施工段進(jìn)行逐漸增大的趨勢，在CS9～CS10間較陡，說明屋面梁、柱的施工對其正彎矩最值影響較大。對比方案A、B，兩者負(fù)彎矩初始最值相差不大，正彎矩最值差值為76.209 kN˙m，兩者在CS5處最值相差較大，負(fù)彎矩最值相差68.258 kN˙m，正彎矩最值相差62.342 kN˙m。綜合考慮，就桁架 HJ3彎矩最值而言，方案A更優(yōu)。

通過方案A、B對比發(fā)現(xiàn)，二層梁、結(jié)構(gòu)柱其彎矩最值均表現(xiàn)為方案A更優(yōu)，其中，二層梁、結(jié)構(gòu)柱最大優(yōu)化效果分別為15.17%、28.08%，桁架HJ3最大初始差值為68.258 kN˙m。因此，就結(jié)構(gòu)彎矩而言，方案A更優(yōu)。

3.3 剪力

(1)二層梁剪力

基于有限元數(shù)值分析結(jié)果，將A、B方案的二層梁各階段剪力最值進(jìn)行匯總，如圖3所示。

圖3 二層梁剪力變化曲線

通過圖3可以看出，二層梁剪力最值隨著施工段的進(jìn)行變化量較小，正負(fù)值相近，圖線近似關(guān)于橫軸對稱，說明結(jié)構(gòu)在施工過程中受力合理。在相應(yīng)的區(qū)別施工段處，方案A相比方案B其剪力最值明顯更小，在CS5時兩者相差最大，最大差值47.819 kN，最大優(yōu)化效果為15.07%。因此，就二層梁剪力而言方案A更優(yōu)。

(2)結(jié)構(gòu)柱剪力

結(jié)構(gòu)柱剪力最值總體上隨施工段的進(jìn)行有略微減小的趨勢，變化量總體不大。在相應(yīng)的區(qū)別施工段處，方案A相比方案B剪力最值明顯更小，并在CS5時兩者相差最大，最大差值3.970 kN，最大優(yōu)化效果為27.34%。因此，就結(jié)構(gòu)柱剪力而言方案A更優(yōu)。

(3)桁架HJ3剪力

桁架HJ3剪力最值總體上呈現(xiàn)隨施工段的進(jìn)行而逐漸增大的趨勢。對比方案A、B，兩者負(fù)剪力初始最值相差不大，正剪力初始最值相差明顯，差值為28.587 kN。兩者在CS5處最值相差較大，負(fù)剪力最值相差9.664 kN，正剪力最值相差9.287 kN(方案A較大)。綜合考慮，僅就桁架HJ3剪力最值而言方案B較優(yōu)。

通過方案A、B對比發(fā)現(xiàn)，圖線整體表現(xiàn)較為平滑，說明其施工順序具有合理性，且二層梁、結(jié)構(gòu)柱剪力最值均表現(xiàn)為方案A更優(yōu)，其中，二層梁、結(jié)構(gòu)柱最大優(yōu)化效果分別為15.07%、27.34%。僅桁架HJ3表現(xiàn)為方案B較優(yōu)，考慮到桁架HJ3總體剪力最值較小，對整體結(jié)構(gòu)的影響相對較小，因此，就結(jié)構(gòu)的剪力表現(xiàn)而言，方案A更優(yōu)。

3.4 應(yīng)力

基于有限元數(shù)值分析結(jié)果，將A、B方案結(jié)構(gòu)各階段應(yīng)力的最大值進(jìn)行匯總，如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化曲線

通過圖4可以看出，結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為28.3 MPa，根據(jù)?鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(GB 50017—2017)，小于應(yīng)力限值215 MPa，結(jié)構(gòu)安全性滿足要求。應(yīng)力比為0.132，說明結(jié)構(gòu)受力儲備大，安全度大。對比方案A、B，在相應(yīng)的區(qū)別施工段處，方案A相比方案B其應(yīng)力最值明顯更小，并在CS4時兩者相差最大，最大差值1.3 MPa，最大優(yōu)化效果為14.13%。因此，就結(jié)構(gòu)應(yīng)力而言方案A更優(yōu)。

綜合對各研究對象內(nèi)力、應(yīng)力進(jìn)行分析，并通過對方案A、B的對比，無論是內(nèi)力、應(yīng)力均表現(xiàn)為方案A更優(yōu)。因此，應(yīng)采取方案A對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。

4 結(jié)論

(1)分析對象的軸力、彎矩、剪力、應(yīng)力最值總體上均呈現(xiàn)隨著施工段的進(jìn)行逐漸增大的趨勢，僅局部存在不遵循該規(guī)律的情況，主要考慮為各施工段中臨時支撐及樓板施工的影響。

(2)從結(jié)構(gòu)整體角度出發(fā)，對內(nèi)力進(jìn)行了匯總。結(jié)果表明:軸力正負(fù)最值分別在桁架HJ4、結(jié)構(gòu)柱處產(chǎn)生，彎矩正負(fù)最值分別在屋面梁、二層梁處產(chǎn)生，剪力正負(fù)最值均在二層梁處產(chǎn)生，應(yīng)力最值產(chǎn)生于桁架HJ3處。上述結(jié)構(gòu)應(yīng)在施工過程中重點(diǎn)關(guān)注。

(3)通過對比方案A、B對其進(jìn)行優(yōu)選，對于結(jié)構(gòu)軸力而言，方案A更優(yōu)，其中，結(jié)構(gòu)柱最大優(yōu)化效果為16.68%；對于結(jié)構(gòu)彎矩而言，方案A更優(yōu)，其中，二層梁、結(jié)構(gòu)柱、最大優(yōu)化效果分別為15.17%、28.08%，桁架HJ3最大初始差值為68.258 kN˙m；對于結(jié)構(gòu)剪力而言，綜合考慮為方案A更優(yōu)，其中，二層梁、結(jié)構(gòu)柱最大優(yōu)化效果分別為15.07%、27.34%；對于結(jié)構(gòu)應(yīng)力而言，方案A更優(yōu)，最大優(yōu)化效果為14.13%。可見，應(yīng)采取方案A對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，對保證施工安全有利。