文化艺术中心钢结构施工分析及建议

［摘要］为确保海峡文化艺术中心戏剧厅上部钢结构的施工方案安全可行，采用MIDAS/GEN有限元程序进行施工安装及卸载全过程分析。结果表明:在整个安装过程中，胎架的变形和应力均在合理范围内，卸载后结构各项指标也均满足规范要求，说明该结构施工方案合理、可行。建议对卸载过程主体结构的变形和应力进行监测，出现异常情况及时预警，确保卸载过程主体结构的安全。

［关键词］数值模拟;施工过程;监测

近年来，复杂结构越来越多且造型呈现出多样性、奇特性。如何确保这些结构在成型过程中的体系平稳过渡、安全转换往往是施工控制的关键。因此，施工过程力学分析是必不可少的［1－3］。对整个施工过程的应力及变形进行计算从而制定合理安全的施工方案，确保结构施工的安全。本文结合海峡文化艺术中心戏剧厅上部钢结构的施工，利用MIDAS/GEN有限元程序对施工安装及卸载过程进行数值仿真分析［4－9］，以期为施工安全提供技术参考和依据，确保施工方案安全可行。

1工程概况

海峡文化艺术中心项目的设计起点与灵感来源于福州市市花—茉莉花，其主建筑由歌剧厅、音乐厅、戏剧厅、影视中心、艺术博物馆、中央文化大厅等单体组成，单栋建筑外形似“茉莉花花瓣”，按照扇形组合排列形成城市雕塑和茉莉花的形象，整体以“五片帆、一朵花”为理念，造型酷似一朵洁白的茉莉花(如图1所示)，将成为闽江畔的梦幻建筑群。本工程戏剧厅(见图1)地上钢结构主要包括网架支撑柱、屋面桁架、各类支撑、焊接球网架、劲性钢骨结构、舞台钢结构、屋面钢梁、钢楼梯、坡道钢结构等，桁架上、坡道处、屋顶钢梁处及追光室一层还铺有压型钢板，结构形式多样，如图2和图3所示。

2施工过程仿真分析

2.1MIDAS/GEN有限元分析模型。采用MIDAS/GEN有限元程序进行施工阶段模拟分析，建立的计算模型为一整体模型，但考虑各个施工阶段的影响，即程序会根据所定义的施工各个阶段控制数据进行分析，在图1海峡文化艺术中心项目分布示意图图2单层网架屋面结构分析某一施工阶段时，程序将会冻结该施工阶段的所有构件及后期需要加载的荷载工况，本阶段完成状态下的结构内力和变形，在下一阶段程序会自动考虑(累加模型)，从而可以真实地模拟施工的动态过程。计算模型中梁、柱、斜撑构件均采用MIDAS/GEN软件中的梁单元，楼板采用板单元进行模拟，建立的有限元分析模型如图4所示。考虑节点重量等，取1.2倍的结构自重;施工过程的活载取1.5kN/m2。2.3数值模拟结果及分析。限于篇幅，图5～图11仅给出某些施工过程的结构变形和应力计算结果。根据以上分析结果进行统计，可以绘制出应力和变形随施工步骤的变化曲线，如图12所示。由图12可知，整个施工过程中，应力和变形的变化趋势基本一致，结构变形的最大值为32.6mm，出现在卸载之后，但卸载前几个施工步骤变化并不明显，一是卸载时采取分级卸载的方法，二是主体结构接近成形时的刚度较大，因此胎架卸载后位移变化较小。此外，结构的应力水平也比较合理，随着施工过程应力基本呈阶梯型增加，而在胎架最后应力突降，这是由于最大应力出现在胎架上，最大值为128.6MPa(第49步工况)，而当胎架卸载后，主结构的最大应力仅为76.0MPa，远小于材料屈服强度，结构安全。

3结论及建议

复杂结构在成型过程中涉及到结构体系平稳过渡和安全转换，文中采用MIDAS/GEN有限元数值模拟分析得到了施工过程关键部位最大应力和变形变化曲线，计算结果表明:整个施工过程中，胎架的变形和应力均满足规范要求，且卸载后主体结构处于安全状态，验证了该施工方案合理、可行，从而为指导施工提供参考和依据。建议施工过程应进行必要的变形和应力监测，尤其在支撑胎架卸载过程，以确保施工过程安全。

作者:陈华 单位:福州新区开发投资集团有限公司