嘉興萬科鄰里中心懸掛鋼結構施工模擬分析*

沈海英，張瀟南

(浙江中南綠建科技集團有限公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

懸掛鋼結構一般由豎向承重主構架、吊件及懸掛鋼構件組成。其中，承重主構架可采用鋼筋混凝土核心筒或鋼結構(鋼框架或鋼桁架等)，吊件一般采用高強鋼束或型鋼吊柱等，將懸掛鋼構件與主構架相連。懸掛部位荷載先傳遞至主構架，再傳遞至基礎。Schueller[1]按照支撐結構形式和吊掛方式的不同，將懸掛鋼結構分為剛性筒式、張拉集成式及拉索桅桿式體系。劉郁馨等[2]將常見的剛性筒式懸掛鋼結構細分為核筒式、框架式及拱形或懸索式結構，核筒式懸掛鋼結構是以中部落地核心筒作為建筑的主要承重結構，在不同高度設置外伸結構，并通過拉桿將各結構層連接形成受力整體，其中，外伸構件為受彎構件，拉桿為受拉構件，中部核心筒傳遞豎向荷載，為受壓構件。由此可見，懸掛鋼結構體系傳力路徑通暢，各構件受力明確[3-4]，被廣泛應用于空間結構、超高層結構和橋梁結構等體系中[5-6]。

然而，懸掛結構在施工過程中具有顯著的時變因素，受施工影響較大，因此需對懸掛結構施工過程進行分析。張坤等[7]采用MIDAS Gen軟件對中科院量子院巨型鋼框架-上部懸掛下部支承結構體系進行了全過程施工模擬，分析關鍵構件和節點應力與變形情況；石開榮等[8]以珠海仁恒濱海中心項目為例，對臨時支撐的卸載敏感性進行了研究；劉勇慶[9]對太原市水上運動中心終點計時塔進行了吊裝過程模擬，實測結果與模擬結果基本一致。

本文依托嘉興萬科鄰里中心項目，該項目未來展廳的屋蓋懸掛鋼結構體系安裝采用支撐胎架和分區吊裝相結合的施工技術，待整體屋蓋鋼結構拼裝完成后進行整體卸載。采用MIDAS Gen有限元軟件對整個施工過程進行仿真模擬，詳細計算分析了屋蓋懸掛鋼結構在施工過程中的桿件位移和應力變化情況，以確保結構在安裝過程中不出現局部破壞，并保證施工結束后結構處于設計位形狀態。

1 工程概況

嘉興萬科鄰里中心項目位于嘉興市南湖區余新鎮漁里社區，東至余新鎮中心小學，南至張家橋港，西至五星路，北至市河，其服務于萬科漁里未來社區，如圖1所示。

本項目地上未來展廳屋蓋為懸掛鋼結構，標高25.000～33.000m，鋼屋蓋平面尺寸為47.7m×47.7m，投影面積約1 310m2，外形為飛碟狀。本項目鋼結構部分結構體系為核筒式懸掛鋼結構，在中部核心筒頂部安裝巨型鋼桁架作為外伸結構，通過吊桿與下層樓面結構連接，形成完整的受力體系。屋頂懸掛鋼結構由18榀半魚腹式雙層鋼桁架組成，通過環向構件連接形成空間結構，承受下部樓層荷載。鋼桁架通過中心圈梁與中部核心筒連接，將荷載傳遞至中部核心筒。屋蓋桁架通過18根鋼吊桿與下層樓層梁連接，保證下部樓層的荷載傳遞。未來展廳懸掛鋼結構體系如圖2所示。

2 屋蓋懸掛鋼結構施工

2.1 施工方案

由于該屋蓋桁架最大懸挑長度為20.6m，重約36.5t，桁架長度較長，不便于整體運輸。結合以往類似工程施工經驗，鋼桁架首先在工廠預制成散件，然后運輸至現場拼裝為整榀桁架。整體施工流程為：搭設臨時支撐→吊裝下部樓面梁→對稱吊裝屋蓋鋼桁架→安裝下掛鋼拉桿→拆除臨時支撐，進行結構卸載。本工程屋蓋懸掛鋼結構為環形封閉結構，故基于分區、對稱吊裝原則確定安裝方案，并考慮場地施工條件，將屋蓋鋼結構對稱分為區域1～4，其中，區域1為按順時針方向～②軸所圍區域，區域2為按順時針方向⑧～軸所圍區域，區域3為按順時針方向②～⑧軸所圍區域，區域4為按順時針方向～軸所圍區域。吊裝順序為：區域1→區域2→區域3→區域4，如圖3所示。施工區域的劃分可充分利用分區場地進行桁架地面拼裝，便于吊裝，解決了施工場地不足的問題。

2.2 施工流程

1)施工準備

熟悉圖紙，對鋼結構構件進行深化設計。基于運輸噸位和尺寸，將構件合理地分割運輸單元，并在工廠進行加工制作。

2)鋼構件運輸及堆放

確定構件運輸路線，構件分批次、分類型運輸至施工現場，按照安裝順序進行堆放。同時，在施工現場做好構件防腐、防變形措施。

3)場地加固處理

為保證構件組裝的精確性，防止構件在組裝過程中由于胎架不均勻沉降導致拼裝誤差，需對拼裝場地進行加固。基于260t履帶式起重機的吊重分析，需對其行走路線進行加固。

4)臨時支撐胎架搭設

基于施工過程中胎架的受力情況，選擇格構式支撐胎架進行設計和安裝，如圖4所示。支撐胎架共分2段，第1段用于支撐樓面梁，待樓面梁施工完成后增高支撐胎架，用于支撐屋蓋鋼桁架。支撐胎架盡量布置于軸線位置遠端，為施工過程中的樓面梁、鋼桁架提供支點，使其在施工過程中不作為懸臂構件受力，減小樓面梁、屋蓋鋼桁架施工過程中的變形、應力。

5)下部樓面梁吊裝就位

吊裝就位設備為260t履帶式起重機，樓面鋼梁采用兩點平吊，先安裝徑向鋼梁，再安裝環向連系構件，按，，①～軸的順序安裝，在，軸軸線處通過環向連系構件進行焊接，形成樓面體系。鋼梁安裝時可先將腹板連接板用臨時螺栓進行臨時固定，待調校完成后，更換為高強螺栓，并按設計和規范要求進行高強螺栓初擰、終擰及鋼梁焊接。

6)屋蓋鋼桁架吊裝就位

吊裝就位設備為260t履帶式起重機，屋蓋桁架采用四點平吊。將屋蓋桁架同樣分為施工區域1～4，施工順序為：區域1→區域2→區域3→區域4。首先安裝4個施工區域分界軸線(②，⑧，，軸)鋼桁架，然后在每個施工區域逐次安裝內部鋼桁架、內部環向連系構件，并在4個分界軸線處進行焊接。鋼桁架安裝時可先通過臨時螺栓進行臨時固定，待調校完畢后，更換為高強螺栓，并按設計和規范要求進行高強螺栓初擰、終擰及鋼梁焊接。

7)安裝鋼拉桿

將鋼拉桿與上層屋蓋鋼桁架、下層樓面鋼梁進行連接，形成整體結構，協同受力。

8)拆除臨時支撐

樓面梁、屋蓋鋼桁架及鋼拉桿施工完成后，進行卸載。在臨時支撐上布置千斤頂，將結構略微頂起，鎖緊后從兩邊抽出墊板。千斤頂緩慢回落至墊塊上，檢查結構卸載情況，確認無誤后按照相同步驟操作，直至結構完全卸載，并與臨時支撐脫開，此時將臨時支撐拆除。

9)安裝鋼筋桁架樓承板

將工廠加工完成的鋼筋桁架樓承板模塊單元吊裝就位，焊接豎向支座鋼筋和栓釘。

10)澆筑混凝土

在鋼筋桁架樓承板中澆筑混凝土，并養護成型。

3 屋蓋懸掛鋼結構施工過程模擬

3.1 有限元模型及分析方法

為保證結構施工安全，需對施工過程進行模擬，分析結構變形和桿件應力比，為安全施工提供數據參考。

屋蓋懸掛鋼結構材料全部選用Q355B鋼材，樓面梁和屋蓋鋼桁架均采用焊接H型鋼，屋蓋桁架連接采用型鋼拉桿。有限元模型中(見圖5)，樓面鋼梁和屋蓋鋼桁架采用梁單元模擬，并根據實際情況賦予相應的截面尺寸，鋼拉桿采用桿單元模擬，直徑為100mm。屋蓋受到中部核心筒和支撐胎架的約束，屋蓋與中部核心筒連接處約束x，y，z向的平動自由度，與支撐胎架連接處約束z向平動自由度。模型施工過程中，其他荷載未施加，暫時不考慮，僅考慮構件自重荷載(含節點自重)，通過設定荷載放大系數(取為1.4)等效考慮施工附加荷載，保證施工過程中的結構安全。

本次施工模擬分析采用MIDAS Gen有限元軟件施工階段分析功能的生死單元法實現[10-11]。首先建立屋蓋懸掛鋼結構整體有限元模型并殺死所有單元；然后基于施工過程，逐步激活施工單元，進行數值分析，獲得每個施工步狀態下結構變形及應力分布；最后施工完成，結構所有單元全部被激活，獲得施工完成后的結構變形和應力分布。為避免結構發生大偏移現象，采用節點修正生死單元法抑制死單元的過大漂移[12]。

3.2 施工過程分析

基于施工方案，首先施工下層樓面鋼梁，間隔選擇其中8個荷載步，提取最大豎向位移和最大應力比，如圖6所示。

由圖6可知，樓面鋼梁開始安裝時，最大豎向位移和最大應力比較小；隨著鋼梁的逐步安裝，最大豎向位移和最大應力比逐步增加。安裝⑦軸鋼梁時(施工荷載步6)，最大豎向位移和最大應力比達峰值，均發生在③軸鋼梁中部，這是因為④～⑥軸鋼梁未與中部核心筒連接，故該部分結構自重由③軸鋼梁和⑦軸鋼梁承擔，③軸鋼梁懸挑跨度較大，承受較大的施工荷載。

在兩端鉸接的邊界約束下，鋼梁最大豎向位移和應力均位于中部區域。施工荷載步6對應的樓面鋼梁位移與應力云圖如圖7所示，由圖7可知，鋼梁最大豎向位移為26.3mm，為鋼梁跨度的1.25/1 000；鋼梁最大應力為61.9MPa，處于彈性階段。待樓面結構合龍后(施工荷載步8)，形成結構剛度，此時樓面結構豎向位移和應力略有減小。綜上所述，在樓面結構施工過程中，結構豎向位移小，應力均在彈性范圍內，滿足施工要求。

待下部樓面結構施工完成后，需進行屋蓋鋼桁架施工。屋蓋鋼桁架施工分為32個荷載步，每個荷載步下的最大豎向位移和最大應力比如圖8所示。

由圖8可知，施工過程中，兩端鉸接的屋蓋鋼桁架在自重荷載作用下，最大豎向位移和最大應力比均較小，這是由于屋蓋鋼桁架作為懸掛鋼結構，需將下部樓面等荷載傳遞至中部核心筒，故其結構剛度較大，在較小的荷載作用下，變形及應力均較小，滿足施工要求。

將吊桿依次與上層屋蓋和下層樓面梁連接，然后進行結構卸載，拆除臨時支撐，此時屋蓋懸掛鋼結構在自重荷載作用下的最大豎向位移為28.9mm，最大應力為62.0MPa，如圖9所示。桿件應力在彈性范圍內，且有較大的安全儲備，滿足施工要求。

4 結語

本文基于嘉興萬科鄰里中心項目，對屋蓋懸掛鋼結構體系進行施工模擬分析，主要得出以下結論。

1)基于屋蓋懸掛鋼結構環形封閉的結構形式，制定了分區、對稱安裝的施工方案。

2)采用有限元軟件進行施工全過程模擬分析，

結果表明，在屋蓋懸掛鋼結構施工過程中，結構變形較小，桿件應力均在彈性范圍內，且有較大的安全儲備，滿足施工要求。