大跨度钢结构施工方案数字化仿真分析

【摘要】以深圳市某大跨度钢结构连廊项目为依托，阐述数字化仿真分析的思路，介绍案例工程中大连廊的安装方式，采用MidasGen仿真模拟软件对其施工方案全过程进行数字化仿真分析，根据计算所得各个支撑点的受力及应力情况，验算了施工方案的可行性。

【关键词】大跨度钢结构；施工仿真；有限元分析；数字化分析；临时支撑

1引言

随着社会的发展，我国建筑的体型外观越来越追求多样化，以体现时代的特征，展现都市的风貌[1]。近年来，我国大跨度复杂空间钢结构得到了迅猛发展，各种先进的施工技术层出不穷、日新月异，加之现如今我国钢材的产量、质量也已大幅度提升，钢结构已经成为我国建筑领域的主力军[2]。而同时随着技术的进步，业主对施工进度及成本管控的要求也越来越高[3]。在这样的市场需求下，工程数字化仿真分析技术的出现，为此类情况提供了切实可行的解决方案。施工数字化仿真是利用计算机技术，建立数字模型，以计算机为工具，数字计算为手段，运用数字化的技术将建筑的物理信息拷贝到虚拟环境中，模拟被拷贝对象在现实环境中的行为，从而提高生产效率，节约生产成本，此为施工数字化仿真。施工数字化仿真已经将施工企业大举进军“工业4.0”的大门打开，数字化仿真由产品仿真、生产工艺流程仿真和运维仿真三大板块组成，而本文侧重的正是生产工艺流程仿真[4]。

2工程概况

本工程为深圳市宝安区某公建项目，大连廊钢结构采用钢索斜拉桥的设计理念，整体镶嵌于两塔楼之间，并与塔楼上下结构脱开，两栋主楼采用现浇钢筋混凝土框架核心筒结构，大跨度连廊采用钢桁架+斜拉索的组合结构。大连廊钢结构分为上下两道连廊，独立形成空间立体桁架结构，大连廊钢结构通过钢梁及斜拉索与两侧核心筒结构相连。下层钢连廊为7~12层，标高为28.550~49.550m（均为钢梁顶标高），层高均为4.2m，其中B轴、F轴立面为桁架结构体系，中间D轴线立面为钢架与斜拉索组合结构体系，跨度约45m，斜拉索位于D轴，两边对称设置3道，上端固定在核心筒10层、11层、12层，穿钢架结构向下斜拉至7层结构上，钢连廊在A座核心筒向外最大悬挑为10.7m，钢连廊在B座核心筒向外最大悬挑为8.78m。上层钢连廊为13~18层，标高为53.750~74.850m，层高均为4.2m，其中B轴、F轴立面为桁架结构体系，中间D轴线立面为钢架与斜拉索组合结构体系，跨度约45m，斜拉索位于D轴，两边对称设置3道，上端固定在核心筒15层、16层、17层，穿钢架结构向下斜拉至13层结构上，钢连廊在A座核心筒向外悬挑分别10.7m、6.15m、2.25m，钢连廊在B座核心筒向外悬挑分别8.78m、7.34m。连廊钢结构构件主要规格为焊接H型钢构件和焊接箱型构件，材质主要为Q355B。

3数字化仿真分析思路

由于在施工过程中，还没有形成稳定的受力体系，施工阶段荷载与设计阶段荷载差距较大，需通过施工过程的仿真分析确定在施工过程中各个结构主体构件的受力情况，以及胎架支撑体系的安全储备情况。通过MidasGen有限元分析软件施工仿真模块，建立模型来模拟施工过程中的施工顺序、支座约束条件、边界条件变化情况、荷载加载情况，使理论分析过程尽可能地贴近实际施工情况。综合项目部提供的分段点位置，经过多次分析比对后对分段点进行优化，最终得出最优的加载顺序。根据施工全过程仿真分析的结果，确定胎架底部最大反力，后将该反力值代入设计提供的YJK模型中，对胎架支撑部位进行校核。胎架支撑部位示意图如图1所示。

4大连廊安装方式

本工程采用由下到上逐层高空散拼方式进行大连廊施工。经分析，大连廊结构无法满足塔吊单机吊装的构件要求，可在拼装投影位置架设临时支撑，待构件连接后，拆卸临时支撑。本工程大连廊采用“借助临时支撑高空散拼”方式安装。经前期与项目部沟通，该项目部所属公司租赁站存有一批闲置的整体式塔吊标准节，材质为Q235B，为使闲置资源再利用，控制施工成本，节约施工费用，将这部分塔吊标准节用于搭设胎架。如图2所示。拼装胎架架设于±0.000m处地下室顶板、顶梁及两侧裙房5层顶柱头、顶梁上，胎架生根部位优选为地下室顶板柱头，次选地下室顶主框架梁上，连廊钢结构分段点未与胎架支撑点重合，需在以上布置支撑胎架上放置双H型488mm×300mm×11mm×18mm分配梁，分配梁上对应连廊主体结构分段点的位置设立φ400mm×12mm圆钢管支撑短柱；胎架底部布置H型390mm×300mm×10mm×16mm底座，用于将胎架底部竖向荷载分散传递至地下室顶板上，上述临时措施材质均为Q235B。

5施工全过程数字化仿真分析

5.1设计荷载

荷载布置分为两类情况，第一类荷载情况是为了验证在施工过程中每一个施工步骤在持续加载下，结构本身以及临时施工措施的安全性，仅考虑结构自重、0.5kN/m2的施工活荷载及0.75kN/m2的基本风压；第二类是为考虑钢梁预起拱，需在所有施工步骤模拟结束后，单独增加一个工况，对其施加恒载标准值+0.5倍活载标准值[5]，荷载取值通过该项目设计单位提供的盈建科软件计算模型读取。节点荷载按20%恒载考虑，合计1.2倍构件自重；施工过程仿真分析不计地震载荷作用。荷载组合分为：基本组合（1.3倍恒载+1.5倍活载）和标准组合（1.0倍恒载+1.0倍活载）。从设计院提供的计算模型中提取荷载，计算钢连廊桁架的预起拱值：考虑钢结构自重、组合楼板自重；考虑楼面做法荷载2.2kN/m2，屋顶覆土20kN/m2，幕墙荷载7kN/m；考虑楼面活荷载（0.5×2）kN/m2。

5.2计算工况假定

工况假定：钢结构连廊施工时地下结构、核心筒、6层以下混凝土结构强度达到100%。该项目施工仿真分析运用MidasGen仿真分析计算软件，按照实际施工次序，对空中连廊进行建模分析。

5.3主要结果及结论

通过MidasGen有限元分析软件计算，得出各个施工工况下主体结构、预应力拉索、临时施工措施等的轴力、弯矩、应力、变形、支座反力数据，对所有数据进行整理分析，判断危险点位置，在施工过程中对其监测，以保证安全。经对计算结果进行分析判断，对临时支撑胎架来说，综合所有施工过程工况来看，变形最大位置为第二排支架最北侧悬挑分配梁端部；最大应力240.8N/mm2，位置为第三排支撑胎架H型390mm×300mm×10mm×16mm田字形顶座。通过ABAQUS软件对此部分建立壳单元进行实体仿真分析，该田字形顶座上架设双H型488mm×300mm×11mm×18mm分配梁，对田字形底座腹板上两侧，双拼工字钢腹板正压部位各设12mm厚加劲板一块。经上述计算分析，应力、长细比均满足规范要求。综合B轴/F轴钢桁架下挠值与D轴因拉索张拉的反拱值，确定B轴/F轴钢桁架预起拱按图3执行。图3B轴/F轴钢桁架预起拱值。

6施工支撑胎架对既有结构的影响

取MidasGen计算分析得出的各支撑胎架支撑反力最大值Pmax（考虑结构及节点重量、0.5kN/m2施工载荷、当地规范风载，未计地震）得出胎架底部反力标准值，代入设计院提供的盈建科计算模型（模型中反力按Midas输出结果填入，面荷载按施工过程中恒荷载、活荷载按2kN/m2设置，原模型中其他载荷不予考虑，基本组合采用1.3倍恒载+1.5倍活载）进行计算，与设计院提供的施工图配筋面积核对，部分混凝土梁不满足承载需求，需采取临时加固措施，加固措施为在5~6层间增设临时圆钢管柱和混凝土梁钢筋配置调整相结合。混凝土结构经增加配筋后也均满足规范要求，满足承载要求。

7结语

对于本项目而言，大跨度钢结构的最不利状态时常发生在施工过程中，所以进行施工过程中要进行关键步骤的计算，对关键部位关键结构构件进行加强很有必要[6]。同时，施工全过程仿真分析的意义在于：一是在钢结构施工过程中保证吊装、焊接等的安全，二是选择经济安全的施工方式，并验证它的可靠性。由此可见，数字化仿真技术应用会切实为施工企业在生产过程中带来许多实际的好处，在施工企业数字化转型过程中将发挥巨大的作用，使企业通过灵活高效的方式，缩短施工周期、节约人力、物力成本，持续保持市场竞争力。

【参考文献】

[1]吴穷,王乾坤,任志刚,等.大跨度钢结构施工过程仿真分析[J].工业建筑,2018,48(3):127-131.

[2]武云鹏.大跨度悬挑结构的施工仿真分析[J].建筑施工,2020,42(2):180-182.

[3]蔡健,彭明辉,吴瑞卿,等.某超高层结构施工仿真及其效应影响研究[J].施工技术,2017,46(20):16-22.

[4]邵康文,崔佳宁,刘原,等.数字化仿真技术在研发制造型企业中的应用[J].工程建设与设计,2019(20):268-270.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准:GB50017—2017[S].北京:中国建筑工业出版社,2018.

[6]张文学.大跨度拱形钢网架滑移施工全过程仿真分析关键技术[J].建筑施工,2020,42(8):1541-1543.

作者：张昊骕 张文学 张茜 裴彦军 单位：中铁建工集团有限公司