成都博物館新館施工仿真分析研究

1、<p>　　成都博物館新館施工仿真分析研究</p><p>　　【摘要】 全過(guò)程模擬計(jì)算分析軟件采用通用有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SAP2000 v14.1.0。后處理采用自編VBA二次開(kāi)發(fā)工具結(jié)合專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件ANSYS。對(duì)施工全過(guò)程中結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析。最后得出以下結(jié)論，結(jié)構(gòu)變形、，胎架反力包絡(luò)值、卸載過(guò)程分析、預(yù)調(diào)值。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】 仿真分析；變形；胎架

2、反力；卸載過(guò)程 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p><b>　　1工程概況 </b></p><p>　　本工程為成都市博物館新館項(xiàng)目，總建筑面積65000m2。主體結(jié)構(gòu)為鋼框架－混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，建筑層數(shù)為地上五層（附設(shè)夾層）：首層層高9m，二～四層層高7m，五層層高4m；地下四層：地下一

3、層層高為8m，地下二～四層層高為4m；外立面三角形鋼網(wǎng)格與主體結(jié)構(gòu)共同作用形成組合空間結(jié)構(gòu)體系，最高點(diǎn)高度為46.88m，總用鋼量約14000t。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)（乙類(lèi)）。由于主體結(jié)構(gòu)北側(cè)地下部分有地鐵線(xiàn)通過(guò)，故在地鐵上方設(shè)置大懸挑桁架結(jié)構(gòu)，其懸挑長(zhǎng)度為33米，并托起地上五層主體結(jié)構(gòu)。同時(shí)博物館禮儀廣場(chǎng)為44m大跨度復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　本項(xiàng)目為體型復(fù)雜大型懸挑結(jié)構(gòu)，結(jié)

4、構(gòu)受力關(guān)系復(fù)雜，懸挑、大跨等處可能存在較大變形，為了分析結(jié)構(gòu)施工過(guò)程變形及受力特點(diǎn)，控制懸挑、大跨及復(fù)雜外網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工仿真分析 </p><p><b>　　2施工胎架布置 </b></p><p>　　圖1胎架三維布置圖 </p><p>　　本工程胎架包括鋼管格構(gòu)式胎架（主要支撐鑄鋼件、外立面網(wǎng)格、大跨度鋼梁等）、型鋼

5、組合胎架、懸挑桁架胎架三種，所有胎架材質(zhì)為Q345B。 </p><p>　　(1)鋼管格構(gòu)式胎架：主要支撐鋼網(wǎng)格及禮儀廣場(chǎng)上部結(jié)構(gòu)，格構(gòu)式胎架由無(wú)縫鋼管組成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)尺寸為6mx2mx2m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)對(duì)接組裝成支撐胎架，胎架立桿為Φ245x10，橫管為Φ146x6，斜桿為Φ102x5，立桿連接鋼板為500x500x20的鋼板； </p><p>　　(2)型鋼組合胎架主要支撐鑄鋼件及西南懸挑結(jié)

6、構(gòu)，型鋼胎架采用H型鋼，立桿為H 488x300x11x18，橫桿為H 250x250x9x14，斜桿為H 250x250x9x14，底座為雙拼H 588x300x12x20。 </p><p>　　(3)懸挑桁架胎架主要支撐北部懸挑結(jié)構(gòu)。懸挑桁架胎架立桿采用雙腹H型鋼，截面采用雙H588×300×12×20,連梁采用H300*300*10*15。 </p><p

7、><b>　　3結(jié)構(gòu)基本信息 </b></p><p>　　3.1分析模型、坐標(biāo)及方向、單位約定 </p><p>　　3.1.1分析模型 </p><p>　　全過(guò)程模擬計(jì)算分析軟件采用通用有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SAP2000 v14.1.0。后處理采用自編VBA二次開(kāi)發(fā)工具結(jié)合專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件ANSYS。 </p><p

8、>　　SAP2000模型自原設(shè)計(jì)MIDAS模型導(dǎo)入，二者總體信息接近，主要分析結(jié)果對(duì)比如下： </p><p><b>　　表1 </b></p><p><b>　　基本假定： </b></p><p>　　（1）樓板按彈性樓板考慮，樓板等效厚度同原設(shè)計(jì)。 </p><p><b>

9、;　　分析參數(shù)： </b></p><p>　　（1）考慮幾何非線(xiàn)性效應(yīng)； </p><p>　　（2）側(cè)限參數(shù)同原設(shè)計(jì)，地下室部分側(cè)限位于底板，其它部分無(wú)側(cè)限。 </p><p>　?。?）施工仿真分析模型中，胎架按構(gòu)件實(shí)際（設(shè)計(jì)）形式、截面建模，能夠反映胎架實(shí)際剛度參數(shù)。由于胎架頂端通過(guò)僅承擔(dān)豎向荷載的沙箱與結(jié)構(gòu)底部相連，胎架主要承擔(dān)豎向荷載，水平方

10、向?qū)Y(jié)構(gòu)基本無(wú)約束作用。 </p><p>　　3.1.2坐標(biāo)、方向約定 </p><p>　　本文所有坐標(biāo)及變形數(shù)據(jù)均采用結(jié)構(gòu)分析所用的標(biāo)準(zhǔn)3D直角坐標(biāo)系，Z軸豎直向上，X軸正向向北、Y向正向向西，坐標(biāo)原點(diǎn)位于東南角，同原設(shè)計(jì)模型。 </p><p>　　3.2控制節(jié)點(diǎn)編號(hào)規(guī)則說(shuō)明 </p><p>　　為使節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件信息表達(dá)方便，對(duì)全結(jié)構(gòu)

11、控制節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件進(jìn)行編號(hào) </p><p>　　4施工過(guò)程全過(guò)程模擬 </p><p>　　施工全過(guò)程模擬預(yù)演整個(gè)施工過(guò)程，分析結(jié)構(gòu)及施工措施的力學(xué)特征變化規(guī)律，既是對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際內(nèi)力的重要模擬手段，也是部分施工措施設(shè)計(jì)的前提條件。 </p><p><b>　　4.1施工步驟 </b></p><p>　　4.

12、2各步總荷載（總反力） </p><p><b>　　表2 </b></p><p><b>　　表3 </b></p><p>　　4.3隔震支座變形 </p><p>　　1）隔震支座在整個(gè)施工過(guò)程中及正常使用狀態(tài)下的變形較小，三向最大變形為Uxmax=1.1mm、Uymax=1.9mm、Uzm

13、ax=-0.9mm(即最大沉降0.9mm)。 </p><p>　　2）施工模擬結(jié)果與一次性加載分析結(jié)果接近，二者均較小。 </p><p>　　4.4結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)變形 </p><p>　　四周角點(diǎn)均有胎架支撐，其變形為結(jié)構(gòu)較大變形處。 </p><p>　　1）四角點(diǎn)變形水平分量遠(yuǎn)小于豎向位移分量，節(jié)點(diǎn)變形以豎向位移為主； </p&g

14、t;<p>　　2）由于四角結(jié)構(gòu)形式、懸挑跨度不同，四角豎向位移量差別較大，東南角撓度最小，懸挑的西南、東北、西北較大，其中懸挑最大的東北角最大，按本文施工步施工，累計(jì)最大撓度49.2mm。 </p><p>　　3）卸載前、后對(duì)應(yīng)的施工階段分別為29、44，其間位移差為卸載階段的卸載位移量，東北、西北、西南、東南角點(diǎn)卸載位移量分別為14.9、4.2、11.4、2.0mm，上述卸載位移量是確定卸載過(guò)

15、程分級(jí)的重要依據(jù)。 </p><p>　　4）本版分析結(jié)果與上版結(jié)果總體接近，個(gè)別數(shù)據(jù)有所差異。 </p><p><b>　　4.5構(gòu)件內(nèi)力 </b></p><p>　　構(gòu)件內(nèi)力主要對(duì)比施工模擬與一次性加載分析結(jié)果，考察不同施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，選取內(nèi)力較大的東北角懸挑桁架典型桁架下弦桿和桁架支座立柱 </p><p

16、>　　由于懸挑結(jié)構(gòu)施工時(shí)有臨時(shí)胎架支撐，主要結(jié)構(gòu)基本安裝完畢再進(jìn)行卸載，結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力狀態(tài)與一次性加載較為接近。 </p><p>　　5 胎架反力及卸載過(guò)程模擬 </p><p>　　從施工全過(guò)程仿真分析結(jié)果中得出胎架反力各階段值和所有階段包絡(luò)，匯總?cè)缦拢?</p><p>　　5.1典型胎架反力歷程 </p><p><b>

17、;　　胎架受力特點(diǎn)： </b></p><p>　　1）胎架僅承擔(dān)壓力； </p><p>　　2）各胎架在初始狀態(tài)時(shí)反力為0（不含自重） </p><p>　　3）由于胎架卸載有先后順序，部分胎架在卸載過(guò)程中由于臨近胎架卸載而本胎架不卸載反而反力增加（例如X07）。 </p><p>　　4）卸載過(guò)程中，卸載胎架上荷載逐漸轉(zhuǎn)移至

18、主體結(jié)構(gòu)或不卸載的胎架，卸載胎架反力逐漸減小，至47步（卸載最后一步）所有胎架反力肯定歸零，部分胎架可能提前歸零（41~46步間），表示提前卸載完畢，與主體結(jié)構(gòu)脫開(kāi)。 </p><p>　　5.2胎架反力包絡(luò)值 </p><p>　　卸載過(guò)程對(duì)胎架反力有所影響，當(dāng)采用不同的卸載過(guò)程時(shí)，應(yīng)當(dāng)另行分析反力變化。 </p><p>　　5.3胎架變形及卸載過(guò)程分析 <

19、;/p><p>　　卸載方案在本項(xiàng)目中至關(guān)重要。本節(jié)根據(jù)全過(guò)程施工仿真分析結(jié)果說(shuō)明結(jié)構(gòu)四角等關(guān)鍵點(diǎn)的變形歷程、相關(guān)胎架的卸載變形控制數(shù)據(jù)，并給出了所有胎架的卸載過(guò)程變形數(shù)據(jù)。 </p><p>　　5.3.1典型胎架 </p><p>　　結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)及相關(guān)胎架全過(guò)程位移，結(jié)構(gòu)變形歸納如下： </p><p>　　1）所有點(diǎn)初始位移均為0； <

20、;/p><p>　　2）隨結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行，陸續(xù)有結(jié)構(gòu)構(gòu)件開(kāi)始在荷載下（主要是結(jié)構(gòu)自重）變形，多數(shù)情況下豎向位移逐步增加，至主要結(jié)構(gòu)安裝完成，準(zhǔn)備進(jìn)行卸載，。 </p><p>　　3）卸載過(guò)程中，通過(guò)釋放沙箱中的沙量使沙箱總高度減小，減小量即卸載量，可人工控制。在此過(guò)程中裙樓底/沙箱頂一直向下位移；沙箱底/胎架頂由于胎架受力減小在向上反彈。 </p><p>　　各表中沙

21、箱計(jì)算卸載量比目標(biāo)卸載量小時(shí)，說(shuō)明胎架本步卸載完畢，沙箱已脫離上部結(jié)構(gòu)。 </p><p><b>　　5.4小結(jié) </b></p><p><b>　　表4 </b></p><p><b>　　6預(yù)調(diào)值 </b></p><p>　　6.1預(yù)調(diào)值分析方法 </p>

22、;<p>　　迭代法確定結(jié)構(gòu)各安裝位形的基本思路為： </p><p>　?。?）給定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)位形[v]，在該位形的基礎(chǔ)上，施加均布荷載 q（構(gòu)件自重荷載及附加恒載，即竣工狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)所承受的荷載），得到結(jié)構(gòu)的一個(gè)變形狀態(tài)，假定該位形為[v]&#8722;[δ1]，以[δ1]作為結(jié)構(gòu)施工預(yù)調(diào)值，施加到設(shè)計(jì)位形上，得到第一次施工初始位形[v]+[δ1]。如果結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性弱，則在此位形上施加荷載

23、q后，結(jié)構(gòu)將變形回到設(shè)計(jì)位形或二者誤差[δ1]&#8722;[δ2]較小滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，此時(shí)，[v]+[δ1]即為結(jié)構(gòu)施工的初始位形。 </p><p>　?。?）若結(jié)構(gòu)幾何非線(xiàn)性較強(qiáng)，受荷后結(jié)構(gòu)變形將不會(huì)回到設(shè)計(jì)位置，而是將到達(dá)新的位形 [v]+[δ1]&#8722;[δ2]，與設(shè)計(jì)位形的誤差為[δ1]&#8722;[δ2]。需要進(jìn)行迭代計(jì)算，在下一次迭代時(shí)，仍以設(shè)計(jì)位形為基準(zhǔn)，施加預(yù)調(diào)值

24、[δ2]，施加荷載q 后得到位形 [v0]+[δ2]&#8722;[δ3]，與設(shè)計(jì)位形的誤差為[δ2]&#8722;[δ3]。如此反復(fù)，直至所得滿(mǎn)足[δn-1]&#8722;[δn]容差要求時(shí)，得到的位形即為結(jié)構(gòu)施工的初始位形。 </p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)在[v0]+[δn-1]上施加荷載q （自重及附加恒載作用）后，結(jié)構(gòu)變形后的幾何狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)的誤差在允許范圍之內(nèi)。 </p

25、><p>　　6.2本工程施工預(yù)調(diào)值分析 </p><p>　　（1）預(yù)調(diào)目標(biāo)：結(jié)構(gòu)在使用狀態(tài)下（即在重力荷載代表值作用下）保持水平或略微上挑； </p><p>　?。?）目標(biāo)荷載：重力荷載代表值Ge=DL+0.5LL； </p><p>　　（3）分析方法：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位形在重力荷載代表值下的變形響應(yīng)，反算施工初始位形；通過(guò)迭代計(jì)算，直至結(jié)構(gòu)

26、變形后的位形收斂至設(shè)計(jì)位形；控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)收斂誤差在0.1mm以?xún)?nèi) </p><p><b>　　6.3預(yù)調(diào)值 </b></p><p>　　施工模擬全過(guò)程分析及據(jù)此給出的結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工預(yù)調(diào)值，包括構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的安裝預(yù)調(diào)值及構(gòu)件本身的加工（長(zhǎng)度）預(yù)調(diào)值。 </p><p>　　加工預(yù)調(diào)值的長(zhǎng)度加長(zhǎng)/縮短及安裝預(yù)調(diào)值的方向說(shuō)明如下： </p>

27、<p>　　（1）預(yù)調(diào)值長(zhǎng)度單位統(tǒng)一取mm，考慮到工程實(shí)際，預(yù)調(diào)值精度取0.1mm； </p><p>　?。?）加工預(yù)調(diào)值的長(zhǎng)度加長(zhǎng)/縮短： </p><p>　　加工預(yù)調(diào)值表示為制作長(zhǎng)度相對(duì)于設(shè)計(jì)位形的變化量，為正時(shí)表示制作長(zhǎng)度相對(duì)設(shè)計(jì)位形應(yīng)加長(zhǎng)，負(fù)值表示構(gòu)件制作時(shí)相對(duì)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的應(yīng)縮短。 </p><p>　　如某構(gòu)件設(shè)計(jì)長(zhǎng)度10,000mm，加工

28、預(yù)調(diào)值“+4.6”或“4.6”表示制作時(shí)應(yīng)作成的實(shí)際長(zhǎng)度為10,000+4.6=10004.6mm；又如某構(gòu)件設(shè)計(jì)長(zhǎng)度10,000mm，加工預(yù)調(diào)值“-4.6”表示制作時(shí)應(yīng)作成的實(shí)際長(zhǎng)度為10,000-4.6=9995.4mm。 </p><p>　?。?）安裝預(yù)調(diào)值的調(diào)整方向： </p><p>　　安裝預(yù)調(diào)值表示為構(gòu)件節(jié)點(diǎn)截面形心安裝位置相對(duì)于設(shè)計(jì)位形的變化量，即某方向（X、Y、Z）正值

29、為相對(duì)設(shè)計(jì)位形向該方向（X、Y、Z）正方向預(yù)調(diào)，反之為相對(duì)設(shè)計(jì)位形向該方向（X、Y、Z）反方向預(yù)調(diào)。 </p><p><b>　　7結(jié)論 </b></p><p>　　根據(jù)最新的施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行了施工過(guò)程全過(guò)程仿真分析，給出了結(jié)構(gòu)變形、胎架反力等分析結(jié)果，并依據(jù)分析結(jié)果給出了預(yù)調(diào)值的建議值。 </p><p>　　用于施工仿真分析的SAP20

30、00模型導(dǎo)自原設(shè)計(jì)MIDAS模型，總質(zhì)量、主要周期等主要分析結(jié)果與MIDAS模型接近。胎架模擬根據(jù)最新的胎架布置，在分析中考慮了胎架的實(shí)際剛度，分析結(jié)果可以更準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)變形過(guò)程及胎架受力情況； </p><p>　　(1)根據(jù)施工仿真分析結(jié)果分析，東北側(cè)最大懸挑處的撓度為約49.2mm，其它各角點(diǎn)的懸挑撓度小于此值。 </p><p>　　分析結(jié)果表明，隔震支座在整個(gè)施工過(guò)程中及正常使用

31、狀態(tài)下的變形較小，三向最大變形為Uxmax=2.1mm、Uymax=1.1mm、Uzmax=-0.9mm(即最大沉降0.9mm)。(2)根據(jù)分析結(jié)果給出各胎架反力變化過(guò)程和胎架反力包絡(luò)值，供后續(xù)胎架設(shè)計(jì)參考；所有胎架最大反力3453kN。 </p><p>　　(3)“5、10、完全卸載”方案的卸載過(guò)程仿真分析表明，卸載過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)較明顯的變形和應(yīng)力突變，是可行的方案。 </p>

32、<p>　　由于懸挑結(jié)構(gòu)施工時(shí)有臨時(shí)胎架支撐，主要結(jié)構(gòu)基本安裝完畢再進(jìn)行卸載，結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力狀態(tài)與一次性加載較為接近。 </p><p>　　(4)給出了結(jié)構(gòu)預(yù)調(diào)值，用于加工預(yù)調(diào)和安裝預(yù)調(diào)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　(1) 葛家琪 周順豪 谷鵬 黃季陽(yáng) 張國(guó)軍 張奇銘.《貴陽(yáng)奧體

33、中心主體育場(chǎng)罩篷鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力張拉施工仿真分析研究》【J】建筑結(jié)構(gòu).201012期 </p><p>　　(2)田仲初、蔣田勇、何斌、顏東煌.《納潮口大橋施工過(guò)程的仿真模型建立與分析》. 【J】《長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)》2004年第03期 </p><p>　　(3)楊興富、李鑫奎.《青島大劇院鋼屋蓋空間桁架仿真分析》. 【C】《第十七屆華東六省一市建筑施工技術(shù)交流會(huì)論文集》2008年 </

34、p><p>　　(4) 李冠群;宋勝錄;伍小平;楊興富;羅國(guó)鋒;封杰.《上海世博演藝中心飛碟狀鋼結(jié)構(gòu)屋蓋卸載仿真分析》. 【J】《建筑施工》2009年第11期 </p><p><b>　　作者簡(jiǎn)介 </b></p><p>　　谷士爭(zhēng)，男 ，高級(jí)工程師，本科，中國(guó)建筑第二工程局有限公司西南分公司，成都博物館項(xiàng)目經(jīng)理 </p><