大懸挑根部結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵構(gòu)件受力分析

0施工方案一體化內(nèi)蒙古伊旗國(guó)家體育中心一層平面形狀為8m89m，最大尺寸為89m89m。二樓和截面懸索，最大尺寸為120m120m。在兩組和三層之間，沿方向上調(diào)整大懸索框架，并在其上放置大傾角管道的相互連接框架。懸索框架和懸索框架通過(guò)外部網(wǎng)格相互聯(lián)系，整體形成整體的多層懸索結(jié)構(gòu)體系（見(jiàn)圖1）。懸挑桁架共20榀,懸挑桁架最大懸挑長(zhǎng)度43m。施工過(guò)程是結(jié)構(gòu)逐步成形、荷載逐步累加的近似連續(xù)過(guò)程,由于變化緩慢,施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)受力一般采用“慢速時(shí)變力學(xué)”對(duì)施工連續(xù)過(guò)程采用時(shí)間離散的時(shí)間凍結(jié)法近似處理。施工模擬常采用有限元法,通過(guò)單元的“激活”、“鈍化”實(shí)現(xiàn)逐步加載及卸載過(guò)程。把施工時(shí)間離散成幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)(即施工階段或施工步驟),在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)“激活”對(duì)應(yīng)的構(gòu)件或荷載,按照靜力方法進(jìn)行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)逐步加載的過(guò)程。施工安裝和卸載的過(guò)程相當(dāng)于對(duì)一個(gè)既有的靜定結(jié)構(gòu)體系逐步增加約束和荷載的過(guò)程,后續(xù)增加的約束和荷載往往在前一次加載變形結(jié)束后逐步進(jìn)行(施工時(shí)不可能將所有構(gòu)件同時(shí)安裝完成),后續(xù)增加約束和荷載的順序不同(即施工安裝和卸載次序不同)會(huì)對(duì)施工和設(shè)計(jì)荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力分布、結(jié)構(gòu)剛度等產(chǎn)生重要影響。在沒(méi)有臨時(shí)支撐的情況下,先安裝的構(gòu)件一般較早參與受力,內(nèi)力和變形較大,后安裝的構(gòu)件參與受力晚,因而內(nèi)力和變形也較小。對(duì)于多層大懸挑結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形狀態(tài)與施工方案密切相關(guān),且懸挑結(jié)構(gòu)施工大多采用臨時(shí)支撐,臨時(shí)支撐的拆除過(guò)程和拆除時(shí)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力有非常大的影響。設(shè)計(jì)人員提出結(jié)構(gòu)最終工作狀態(tài)而要求施工人員確定施工方案,最終很難完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,且有安全隱患。基于這個(gè)特點(diǎn),應(yīng)將施工方案納入到多層大懸挑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,進(jìn)行一體化分析,根據(jù)施工方案對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整,同時(shí)對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化。本文對(duì)內(nèi)蒙古伊旗全民健身體育中心的多層大懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全過(guò)程仿真,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的施工安裝過(guò)程、樓板剛度形成次序及關(guān)鍵構(gòu)件安裝次序進(jìn)行計(jì)算模擬,分析施工過(guò)程中及結(jié)構(gòu)成形后結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的變化特點(diǎn)及規(guī)律,對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力峰值進(jìn)行調(diào)整,確定結(jié)構(gòu)的最佳安裝方案。1施工臨時(shí)支撐及與主體結(jié)構(gòu)連接內(nèi)蒙古伊旗全民健身體育中心工程實(shí)際施工安裝全過(guò)程分為4個(gè)階段,每階段又分為若干步驟(見(jiàn)圖2)。第1階段為安裝地下結(jié)構(gòu)、中間樓層看臺(tái)結(jié)構(gòu),鋼框架-支撐結(jié)構(gòu);第2階段為安裝主桁架及臨時(shí)支撐;第3階段為屋面桁架安裝、外斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)安裝、拆除臨時(shí)支撐及樓板澆筑;第4階段為張拉索穹頂,建筑內(nèi)部裝修階段。每榀懸挑桁架均設(shè)置施工臨時(shí)支撐,支承在懸挑桁架適當(dāng)部位(見(jiàn)圖3)。為精準(zhǔn)模擬施工全過(guò)程結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,將臨時(shí)支撐建入計(jì)算模型中(見(jiàn)圖2b、2c),并對(duì)臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)連接處采用只壓不拉連接單元進(jìn)行模擬。實(shí)際工程中在臨時(shí)支撐與結(jié)構(gòu)之間安裝沙箱,通過(guò)沙箱中沙子的減少實(shí)現(xiàn)卸載過(guò)程。經(jīng)分析得出,臨時(shí)支撐的卸載分4步完成,采用同步等比卸載方式拆除臨時(shí)支撐,桁架STR-1、STR-2、STR-3(包括與其對(duì)稱(chēng)的部位)每步的卸載量分別為6.5mm、8mm和12mm。2幾何型鋼結(jié)構(gòu)的安裝多層大懸挑結(jié)構(gòu)體系的施工安裝與支撐卸載過(guò)程直接影響結(jié)構(gòu)體系的最終力學(xué)響應(yīng)與安全性能。結(jié)構(gòu)安裝與卸載次序?qū)Y(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素有三部分:(1)支撐卸載前的幾何構(gòu)型,主要構(gòu)件安裝次序、后裝桿件的分布及數(shù)量;(2)支撐卸載前樓板的澆筑狀況,這關(guān)系到卸載前結(jié)構(gòu)的剛度與所承受的荷載;(3)臨時(shí)支撐的卸載步驟。上述關(guān)鍵因素的優(yōu)化組合以施工措施安全可行同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)安全有利為原則。本文采用有限元分析軟件Midas/Gen對(duì)本工程進(jìn)行分析。依據(jù)工程實(shí)際施工安裝全過(guò)程,全過(guò)程仿真分析計(jì)算可劃分為10個(gè)施工步(見(jiàn)表1),考慮該結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,取桁架STR-1、STR-2、STR-3進(jìn)行分析,關(guān)鍵桿件位置見(jiàn)圖4。2.1設(shè)計(jì)荷載作用下臨時(shí)支撐的影響對(duì)于多層大懸挑鋼結(jié)構(gòu),支撐安裝的過(guò)程實(shí)際上是邊界約束條件的不斷變化并引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的過(guò)程。通過(guò)有支撐方案、無(wú)支撐方案與不考慮施工過(guò)程的方案進(jìn)行分析,確定施工安裝過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)性能及安全的影響。為驗(yàn)證施工安裝過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,采用如下方案進(jìn)行分析:方案一,無(wú)臨時(shí)支撐分步加載;方案二,有臨時(shí)支撐分步加載;方案三,一次加載成形(一般設(shè)計(jì)采用的方法)。設(shè)計(jì)荷載作用下三種分析方案中桁架STR-3端部豎向位移有很大差異,方案一為249.2mm,方案二為161.8mm,方案三為152.2mm。方案三(一次加載)的桁架STR-3端部豎向位移最小,方案一的位移較方案三增大63%,可見(jiàn)為了滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)變形的要求,無(wú)臨時(shí)支撐的方案是不合理的。方案二的位移較方案三增大9.6mm,因此即使采用臨時(shí)支撐,結(jié)構(gòu)變形也大于設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)位移。比較方案一和方案二分析結(jié)果可知,多層大懸挑結(jié)構(gòu)加設(shè)臨時(shí)支撐是施工變形安全控制重要措施。圖5給出了關(guān)鍵桿件在設(shè)計(jì)荷載作用下的內(nèi)力。由圖5結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載下關(guān)鍵桿件的軸力與彎矩分析可知,從方案一到方案三,軸力與彎矩均呈減小趨勢(shì)。對(duì)于關(guān)鍵桿件21016,方案一比方案三軸力增大了14.7%,方案二的比方案三軸力增大了3.8%?？梢?jiàn)對(duì)于多層大懸挑結(jié)構(gòu)施工加設(shè)臨時(shí)支撐可有效降低結(jié)構(gòu)最終受力,但采用結(jié)構(gòu)一次成形、一次加載的常規(guī)計(jì)算方法計(jì)算的關(guān)鍵構(gòu)件的內(nèi)力偏小。進(jìn)一步分析表明,在施工中設(shè)置臨時(shí)支撐能夠減小結(jié)構(gòu)的的豎向位移、樓板內(nèi)力以及桿件內(nèi)力。加設(shè)臨時(shí)支撐是施工過(guò)程安全及結(jié)構(gòu)使用過(guò)程安全的必要保證。按照常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的一次加載設(shè)計(jì)方法對(duì)多層大懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不安全。2.2上弦處樓板抗拉剛度桁架上、下弦處樓板在豎向荷載作用下分別受拉和受壓。懸挑桁架下弦處樓板抗壓剛度很大,與下弦桁架桿件的抗壓剛度相當(dāng),但上弦處樓板抗拉剛度很小,不合理的樓板澆筑順序可能造成上弦處樓板在使用過(guò)程中被拉裂。而樓板剛度對(duì)主體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。通過(guò)改變二層(下弦處)、三層(上弦處)樓板剛度形成的次序及鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐的卸載步驟之間的關(guān)系,使桁架的內(nèi)力趨于合理,從而確定樓板的最佳澆筑時(shí)機(jī),減少上弦處樓板的拉力。2.2.1結(jié)構(gòu)變形性能控制在三層(上弦處)樓板未澆筑的前提下,研究二層(下弦處)樓板澆筑與臨時(shí)支撐卸載步驟的關(guān)系,對(duì)如下方案進(jìn)行對(duì)比分析。方案1:臨時(shí)支撐卸載前澆筑二層樓板對(duì)比各個(gè)方案中完全卸載時(shí)懸挑桁架(圖4)桿件的內(nèi)力與桁架STR-3端部的豎向位移,主要結(jié)果如圖6~7及表2所示,可以看出:(1)在施工過(guò)程中,桁架STR-3端部的豎向位移逐漸增加。在完全卸載階段,方案1的豎向位移最小,方案1~5的豎向位移比為1∶1.20∶1.20∶1.22∶2.16∶2.17。從結(jié)構(gòu)變形性能控制方面考慮,方案1最優(yōu)。(2)從方案1到方案5,關(guān)鍵桿件的軸力與彎矩均呈現(xiàn)增加趨勢(shì),且在方案4與方案5中出現(xiàn)了桿件軸力與彎矩大幅增加的現(xiàn)象。軸力最大桿件22016,前三個(gè)方案軸力相差很小,方案4與方案5的軸力比前3個(gè)方案約增加了80%。從結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈性承載力安全性設(shè)計(jì)方面考慮,方案1最優(yōu)。(3)二層樓板以受壓為主。從方案1到方案5,二層樓板壓力依次減小,且均處于樓板受壓承載力范圍內(nèi)。以上分析可知,二層樓板的剛度形成時(shí)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向位移、桿件內(nèi)力、樓板自身內(nèi)力產(chǎn)生很大的影響。二層樓板提前澆筑能使其盡早進(jìn)入受力狀態(tài),從而有效減小結(jié)構(gòu)的豎向位移、桿件內(nèi)力。2.2.2不同方案火炬樹(shù)的豎向變形二層樓板以受壓為主,從以上分析可知,二層樓板宜在卸載前澆筑。三層樓板位于為懸挑桁架的上弦處,在豎向荷載作用下受拉,因此選擇三層樓板澆筑時(shí)機(jī)以減小三層樓板的最大拉力為主要目標(biāo)。在支撐卸載前澆筑二層樓板的前提下,對(duì)三層樓板的澆筑時(shí)機(jī)選如下方案進(jìn)行分析。方案6:臨時(shí)支撐卸載前澆筑三層樓板對(duì)比各個(gè)方案設(shè)計(jì)荷載作用下構(gòu)件的內(nèi)力及樓板的內(nèi)力,結(jié)果見(jiàn)表3及圖8,不同方案各施工全過(guò)程桁架STR-3端部豎向位移如圖9所示。分析表3、圖8~9可知:(1)在設(shè)計(jì)荷載作用下,隨著三層板澆筑時(shí)機(jī)的推遲,三層板的拉力減小。三層樓板澆筑方案6~10的拉力比為1.60∶1.48∶1.39∶1.27∶1。可見(jiàn)方案10對(duì)減小三層樓板拉力最有利。(2)設(shè)計(jì)荷載作用下二層樓板以受壓為主,各個(gè)方案均處于樓板受壓承載力范圍內(nèi)。隨著三層樓板安裝時(shí)機(jī)的推遲,二層樓板的內(nèi)力有小幅度減小。(3)在設(shè)計(jì)荷載作用下桁架STR-3端部豎向位移達(dá)到最大。各個(gè)方案的豎向位移曲線(xiàn)相差很小,在設(shè)計(jì)荷載作用下相差僅5mm。說(shuō)明樓板三層澆筑時(shí)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向變形影響很小。(4)從圖8可以看出,在設(shè)計(jì)荷載作用下,方案6~10關(guān)鍵桿件的軸力與彎矩變化不大。各桿件軸力基本保持不變,彎矩最大的桿件23010彎矩有小幅度增加,方案10比方案6增加了2.4%。說(shuō)明三層樓板澆筑推遲對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件的軸力及彎矩影響不大?？傊?三層樓板澆筑時(shí)機(jī)對(duì)于豎向位移及關(guān)鍵桿件內(nèi)力影響很小,但較早澆筑會(huì)大幅度增加自身樓板的拉力。故三層樓板過(guò)早進(jìn)入工作狀態(tài)對(duì)于整體結(jié)構(gòu)是不利的,宜在臨時(shí)支撐完全卸載后澆筑。2.3桿件后裝方案對(duì)比由大懸挑桁架的分析結(jié)果可知,大懸挑根部桿件的應(yīng)力很大,是比較危險(xiǎn)的關(guān)鍵部位,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,一般采用加大構(gòu)件截面的常規(guī)設(shè)計(jì)方法。但加大構(gòu)件截面致使桿件的剛度增加,該部位會(huì)產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中,通常很難有效減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力。因此可通過(guò)調(diào)整某些關(guān)鍵桿件的安裝與臨時(shí)支撐卸載的順序,通過(guò)滯后關(guān)鍵構(gòu)件(應(yīng)力較大的位置)的安裝,達(dá)到內(nèi)力分布均勻及應(yīng)力優(yōu)化的目的。本文通過(guò)施工全過(guò)程仿真分析選擇合理的關(guān)鍵桿件安裝步驟,優(yōu)化結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的最終受力狀態(tài)和安全性能。桁架STR-1的桿件23010處彎矩很大,屋面桁架桿件50021的軸力及彎矩較大,應(yīng)力集中,難以滿(mǎn)足承載力設(shè)計(jì)要求。為緩解桿件23010和50021的受力狀態(tài),將桿件23013和50021作為后裝桿件(桿件位置見(jiàn)圖4)。不同安裝方案的主要計(jì)算結(jié)果如圖10、11及表4所示。分析計(jì)算結(jié)果可以看出:(1)由表4和圖11可知,桿件的后裝對(duì)桁架STR-3端部豎向位移影響不大,最大豎向位移出現(xiàn)在設(shè)計(jì)荷載作用下。隨著后裝桿件安裝時(shí)機(jī)的推遲,豎向位移也逐步增大。在U0+D0的情況下,桁架STR-3端部豎向位移最小,為167mm;在U3+D3的情況下豎向位移最大,為177mm。說(shuō)明桿件后裝會(huì)引起桁架端豎向位移增大,但仍能滿(mǎn)足規(guī)范要求。(2)由表4和圖11可知,桿件的后裝對(duì)桿件23010和50021的內(nèi)力影響很大。隨著下部桿件23013安裝時(shí)機(jī)的推遲,在設(shè)計(jì)荷載作用下,桿件21016內(nèi)力略有增加,但增長(zhǎng)幅度均較小;關(guān)鍵桿件23010軸力與彎矩均減小,軸力最終降幅為18.9%,彎矩降幅為18.5%。故桿件23013在完全卸載后安裝能在其他關(guān)鍵桿件內(nèi)力增幅不大的情況下有效減小桿件23010軸力與彎矩。(3)由表4可知,若桿件23013在支撐完全卸載后安裝,隨著上部桿件50021安裝時(shí)機(jī)的推遲,桿件23010的內(nèi)力有小幅的增長(zhǎng)。桿件50021軸力最終減小22.1%,其中桿件50021支撐第一步卸載后安裝自身軸力減幅可達(dá)10.7%。為了使桿件50021應(yīng)力及穩(wěn)定性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,選擇桿件50021在支撐第一步卸載后安裝為最終方案。(4)表4給出了一次加載(常規(guī)設(shè)計(jì)方法)的部分桿件的內(nèi)力。對(duì)于桿件23010,方案U0+D0(未考慮桿件后裝)比一次加載的彎矩增大4.3%,方案U1+D3(考慮桿件后裝)比一次加載減少了15.3%。對(duì)于桿件50021,方案U0+D0(未考慮桿件后裝)比一次加載的彎矩增大3.6%,方案U1+D3(考慮桿件后裝)比一次加載減少了4.5%。U1+D3的桁架STR-3端部位移比一次加載的位移增大了23.9mm,仍能滿(mǎn)足于設(shè)計(jì)要求。從以上分析可知采用最終方案U1+D3(桿件50021在支撐第一步卸載時(shí)安裝,桿件23013在支撐第三步卸載時(shí)安裝)作為施工方案,可實(shí)現(xiàn)減小關(guān)鍵桿件內(nèi)力的目的,同時(shí)這些桿件附近桿件的內(nèi)力及結(jié)構(gòu)豎向位移變化幅度很小,處于安全的范圍之內(nèi)。3實(shí)測(cè)位移對(duì)比分析目前,本工程主體結(jié)構(gòu)施工已經(jīng)完成,在施工過(guò)程中對(duì)臨時(shí)支撐卸載及三層樓板澆筑過(guò)程中關(guān)鍵桿件的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)施工-卸載全過(guò)程進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。其中桿件應(yīng)變的監(jiān)測(cè)通過(guò)在桿件截面上下兩端貼應(yīng)變片來(lái)實(shí)現(xiàn),采用全站儀對(duì)施工過(guò)程各個(gè)階段的位移進(jìn)行測(cè)量。本文挑選了兩榀桁架下弦后裝桿件下翼緣的應(yīng)變以及桁架STR-2、STR-3端部的位移和仿真分析值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖12及表5所示。從圖12可以看出,位移以及桿件應(yīng)變的實(shí)測(cè)值和仿真分析值吻合的較好,這說(shuō)明仿真分析過(guò)程是合理的。同時(shí)仿真分析值略大于實(shí)測(cè)值,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu),變形是一個(gè)緩慢發(fā)展的過(guò)程,測(cè)量完成后結(jié)構(gòu)變形仍會(huì)有所發(fā)展,但誤差在容許范圍之內(nèi)。可見(jiàn)施工仿真分析可對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。4次建模一次加載法對(duì)多層大懸挑鋼結(jié)構(gòu)的施工仿真分析本文分析了內(nèi)蒙古伊旗全民健身體育中心主體結(jié)構(gòu)在施工和使用狀態(tài)下懸挑桁架及其上下弦處樓板的內(nèi)力和桁架STR-3端部的豎向位移,進(jìn)行了各種方案的對(duì)比,提出了最優(yōu)的施工安裝方案,并得出以下結(jié)論:(1)采用不同的施工方