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】 全過程模擬計算分析軟件采用通用有限元分析與設計軟件SAP2000 v14.1.0。后處理采用自編VBA二次開發(fā)工具結合專業(yè)計算軟件ANSYS。對施工全過程中結構力學響應進行了仿真分析。最后得出以下結論，結構變形、，胎架反力包絡值、卸載過程分析、預調值。 </p><p>　　【關鍵詞】 仿真分析；變形；胎架

2、反力；卸載過程 </p><p>　　中圖分類號：TU74 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　1工程概況 </b></p><p>　　本工程為成都市博物館新館項目，總建筑面積65000m2。主體結構為鋼框架－混凝土核心筒結構，建筑層數(shù)為地上五層（附設夾層）：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)格與主體結構共同作用形成組合空間結構體系，最高點高度為46.88m，總用鋼量約14000t。結構安全等級為一級，抗震設防類別為重點設防類（乙類）。由于主體結構北側地下部分有地鐵線通過，故在地鐵上方設置大懸挑桁架結構，其懸挑長度為33米，并托起地上五層主體結構。同時博物館禮儀廣場為44m大跨度復雜空間結構。 </p><p>　　本項目為體型復雜大型懸挑結構，結

4、構受力關系復雜，懸挑、大跨等處可能存在較大變形，為了分析結構施工過程變形及受力特點，控制懸挑、大跨及復雜外網(wǎng)格結構的變形，對主體結構進行施工仿真分析 </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，所有胎架材質為Q345B。 </p><p>　　(1)鋼管格構式胎架：主要支撐鋼網(wǎng)格及禮儀廣場上部結構，格構式胎架由無縫鋼管組成，標準節(jié)尺寸為6mx2mx2m，標準節(jié)對接組裝成支撐胎架，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

6、構，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構。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結構基本信息 </b></p><p>　　3.1分析模型、坐標及方向、單位約定 </p><p>　　3.1.1分析模型 </p><p>　　全過程模擬計算分析軟件采用通用有限元分析與設計軟件SAP2000 v14.1.0。后處理采用自編VBA二次開發(fā)工具結合專業(yè)計算軟件ANSYS。 </p><p

8、>　　SAP2000模型自原設計MIDAS模型導入，二者總體信息接近，主要分析結果對比如下： </p><p><b>　　表1 </b></p><p><b>　　基本假定： </b></p><p>　?。?）樓板按彈性樓板考慮，樓板等效厚度同原設計。 </p><p><b>

9、;　　分析參數(shù)： </b></p><p>　?。?）考慮幾何非線性效應； </p><p>　?。?）側限參數(shù)同原設計，地下室部分側限位于底板，其它部分無側限。 </p><p>　　（3）施工仿真分析模型中，胎架按構件實際（設計）形式、截面建模，能夠反映胎架實際剛度參數(shù)。由于胎架頂端通過僅承擔豎向荷載的沙箱與結構底部相連，胎架主要承擔豎向荷載，水平方

10、向對結構基本無約束作用。 </p><p>　　3.1.2坐標、方向約定 </p><p>　　本文所有坐標及變形數(shù)據(jù)均采用結構分析所用的標準3D直角坐標系，Z軸豎直向上，X軸正向向北、Y向正向向西，坐標原點位于東南角，同原設計模型。 </p><p>　　3.2控制節(jié)點編號規(guī)則說明 </p><p>　　為使節(jié)點、構件信息表達方便，對全結構

11、控制節(jié)點、構件進行編號 </p><p>　　4施工過程全過程模擬 </p><p>　　施工全過程模擬預演整個施工過程，分析結構及施工措施的力學特征變化規(guī)律，既是對設計過程中結構構件實際內力的重要模擬手段，也是部分施工措施設計的前提條件。 </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）隔震支座在整個施工過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）施工模擬結果與一次性加載分析結果接近，二者均較小。 </p><p>　　4.4結構控制點變形 </p><p>　　四周角點均有胎架支撐，其變形為結構較大變形處。 </p><p>　　1）四角點變形水平分量遠小于豎向位移分量，節(jié)點變形以豎向位移為主； </p&g

14、t;<p>　　2）由于四角結構形式、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，累計最大撓度49.2mm。 </p><p>　　3）卸載前、后對應的施工階段分別為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

15、程分級的重要依據(jù)。 </p><p>　　4）本版分析結果與上版結果總體接近，個別數(shù)據(jù)有所差異。 </p><p><b>　　4.5構件內力 </b></p><p>　　構件內力主要對比施工模擬與一次性加載分析結果，考察不同施工過程對結構內力的影響，選取內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、>　　由于懸挑結構施工時有臨時胎架支撐，主要結構基本安裝完畢再進行卸載，結構構件內力狀態(tài)與一次性加載較為接近。 </p><p>　　5 胎架反力及卸載過程模擬 </p><p>　　從施工全過程仿真分析結果中得出胎架反力各階段值和所有階段包絡，匯總如下： </p><p>　　5.1典型胎架反力歷程 </p><p><b>

17、;　　胎架受力特點： </b></p><p>　　1）胎架僅承擔壓力； </p><p>　　2）各胎架在初始狀態(tài)時反力為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）卸載過程中，卸載胎架上荷載逐漸轉移至

18、主體結構或不卸載的胎架，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，與主體結構脫開。 </p><p>　　5.2胎架反力包絡值 </p><p>　　卸載過程對胎架反力有所影響，當采用不同的卸載過程時，應當另行分析反力變化。 </p><p>　　5.3胎架變形及卸載過程分析 <

19、;/p><p>　　卸載方案在本項目中至關重要。本節(jié)根據(jù)全過程施工仿真分析結果說明結構四角等關鍵點的變形歷程、相關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程變形數(shù)據(jù)。 </p><p>　　5.3.1典型胎架 </p><p>　　結構關鍵點及相關胎架全過程位移，結構變形歸納如下： </p><p>　　1）所有點初始位移均為0； <

20、;/p><p>　　2）隨結構施工進行，陸續(xù)有結構構件開始在荷載下（主要是結構自重）變形，多數(shù)情況下豎向位移逐步增加，至主要結構安裝完成，準備進行卸載，。 </p><p>　　3）卸載過程中，通過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、箱計算卸載量比目標卸載量小時，說明胎架本步卸載完畢，沙箱已脫離上部結構。 </p><p><b>　　5.4小結 </b></p><p><b>　　表4 </b></p><p><b>　　6預調值 </b></p><p>　　6.1預調值分析方法 </p>

22、;<p>　　迭代法確定結構各安裝位形的基本思路為： </p><p>　?。?）給定結構的設計位形[v]，在該位形的基礎上，施加均布荷載 q（構件自重荷載及附加恒載，即竣工狀態(tài)時結構所承受的荷載），得到結構的一個變形狀態(tài)，假定該位形為[v]&#8722;[δ1]，以[δ1]作為結構施工預調值，施加到設計位形上，得到第一次施工初始位形[v]+[δ1]。如果結構的非線性弱，則在此位形上施加荷載

23、q后，結構將變形回到設計位形或二者誤差[δ1]&#8722;[δ2]較小滿足設計要求，此時，[v]+[δ1]即為結構施工的初始位形。 </p><p>　　（2）若結構幾何非線性較強，受荷后結構變形將不會回到設計位置，而是將到達新的位形 [v]+[δ1]&#8722;[δ2]，與設計位形的誤差為[δ1]&#8722;[δ2]。需要進行迭代計算，在下一次迭代時，仍以設計位形為基準，施加預調值

24、[δ2]，施加荷載q 后得到位形 [v0]+[δ2]&#8722;[δ3]，與設計位形的誤差為[δ2]&#8722;[δ3]。如此反復，直至所得滿足[δn-1]&#8722;[δn]容差要求時，得到的位形即為結構施工的初始位形。 </p><p>　?。?）結構在[v0]+[δn-1]上施加荷載q （自重及附加恒載作用）后，結構變形后的幾何狀態(tài)與設計狀態(tài)的誤差在允許范圍之內。 </p

25、><p>　　6.2本工程施工預調值分析 </p><p>　?。?）預調目標：結構在使用狀態(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>　　（2）目標荷載：重力荷載代表值Ge=DL+0.5LL； </p><p>　?。?）分析方法：根據(jù)結構設計位形在重力荷載代表值下的變形響應，反算施工初始位形；通過迭代計算，直至結構

26、變形后的位形收斂至設計位形；控制關鍵節(jié)點收斂誤差在0.1mm以內 </p><p><b>　　6.3預調值 </b></p><p>　　施工模擬全過程分析及據(jù)此給出的結構構件施工預調值，包括構件節(jié)點的安裝預調值及構件本身的加工（長度）預調值。 </p><p>　　加工預調值的長度加長/縮短及安裝預調值的方向說明如下： </p>

27、<p>　?。?）預調值長度單位統(tǒng)一取mm，考慮到工程實際，預調值精度取0.1mm； </p><p>　?。?）加工預調值的長度加長/縮短： </p><p>　　加工預調值表示為制作長度相對于設計位形的變化量，為正時表示制作長度相對設計位形應加長，負值表示構件制作時相對設計長度的應縮短。 </p><p>　　如某構件設計長度10,000mm，加工

28、預調值“+4.6”或“4.6”表示制作時應作成的實際長度為10,000+4.6=10004.6mm；又如某構件設計長度10,000mm，加工預調值“-4.6”表示制作時應作成的實際長度為10,000-4.6=9995.4mm。 </p><p>　?。?）安裝預調值的調整方向： </p><p>　　安裝預調值表示為構件節(jié)點截面形心安裝位置相對于設計位形的變化量，即某方向（X、Y、Z）正值

29、為相對設計位形向該方向（X、Y、Z）正方向預調，反之為相對設計位形向該方向（X、Y、Z）反方向預調。 </p><p><b>　　7結論 </b></p><p>　　根據(jù)最新的施工進度計劃進行了施工過程全過程仿真分析，給出了結構變形、胎架反力等分析結果，并依據(jù)分析結果給出了預調值的建議值。 </p><p>　　用于施工仿真分析的SAP20

30、00模型導自原設計MIDAS模型，總質量、主要周期等主要分析結果與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際剛度，分析結果可以更準確反映結構變形過程及胎架受力情況； </p><p>　　(1)根據(jù)施工仿真分析結果分析，東北側最大懸挑處的撓度為約49.2mm，其它各角點的懸挑撓度小于此值。 </p><p>　　分析結果表明，隔震支座在整個施工過程中及正常使用

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)分析結果給出各胎架反力變化過程和胎架反力包絡值，供后續(xù)胎架設計參考；所有胎架最大反力3453kN。 </p><p>　　(3)“5、10、完全卸載”方案的卸載過程仿真分析表明，卸載過程中結構變形較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)較明顯的變形和應力突變，是可行的方案。 </p>

32、<p>　　由于懸挑結構施工時有臨時胎架支撐，主要結構基本安裝完畢再進行卸載，結構構件內力狀態(tài)與一次性加載較為接近。 </p><p>　　(4)給出了結構預調值，用于加工預調和安裝預調。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　(1) 葛家琪 周順豪 谷鵬 黃季陽 張國軍 張奇銘.《貴陽奧體

33、中心主體育場罩篷鋼結構預應力張拉施工仿真分析研究》【J】建筑結構.201012期 </p><p>　　(2)田仲初、蔣田勇、何斌、顏東煌.《納潮口大橋施工過程的仿真模型建立與分析》. 【J】《長沙交通學院學報》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交流會論文集》2008年 </

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