折线形钢柱施工过程中关键点位应力分析＊

刘 韧，贺桂超，周凌宇

(1.兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000;2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

折线形钢柱施工过程中关键点位应力分析＊

刘 韧1，贺桂超2，周凌宇2

(1.兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000;2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

对于异型建筑而言，其施工时的工作状态与正常使用阶段不完全一致，如按正常使用阶段进行设计，可能导致结构在施工过程中出现安全问题。以某音乐厅为背景，采用空间有限元分析软件Midas/gen建立全结构模型，对施工过程进行模拟分析，得到了斜折线形钢柱在各施工阶段由施工荷载和温度荷载引起的应力值，对斜折线形钢柱的施工定位与安装具有指导意义，也可作为施工监测的参考。

斜折线形钢柱;施工模拟分析;温度荷载;应力

结构设计过程中主要考虑在正常使用阶段时的各种工况，而对施工过程中所遇到的各种作用及效应一般考虑较少。但在建造过程中，施工阶段的作用效应将有可能作为永久效应而长期存在，影响结构施工精度和使用安全。因此，不仅要关注结构的最终成型状态，也更要关注其成型过程。结构竣工时恒载作用下所产生的内力和变形是由各施工步的效应依次累积而成，其大小和分布规律与施工过程“路径”和“时间”效应存在某种密切的相关性［1］。为了弄清这种关系，通常是对结构在施工时的受力状态进行施工模拟分析［2－6］，通过对结构、荷载和约束条件等不断地进行激活与钝化来模拟实际的施工过程，这样就能随时、准确地了解构件内部的受力情况［7］。

斜折线形钢柱本身节点及与钢筋混凝土组合节点受力性能十分复杂，是结构空间整体受力的关键部位，其抗震性能和工作性能目前并不十分明确，现行规范规程也未提供设计方法，非常有必要对施工过程中这些超规范设计的复杂、关键柱、节点实际构件的应力进行实时跟踪监测，随时根据这些构件的应力监测结果分析调整设计与施工过程中的相关细节，避免这些复杂、关键柱、节点构件在施工中过度变形或破坏［8－9］。

以某音乐厅为例，对其进行施工模拟，分析了不规则折线形钢柱各关键点在施工过程中由施工荷载和温度作用变化引起的应力情况，为施工提供安全保证。

1 工程概述

音乐厅工程位于滨江文化园北侧，建筑面积28 161.4 m2。基础采用高强预应力管桩，上部为钢筋混凝土框架－剪力墙结构，地下1架空层，地上3层，最大相对标高为28.9 m。钢结构部分相对于吊装设备所在地面的最大高度在悬臂梁处，约为33 m。音乐厅属于异型结构，形状严重不规则，外形呈鞋形，楼面和屋面开多个大洞，且多采用大跨度、长悬臂大截面梁与斜折线形柱，见图1。

图1 音乐厅结构模型Fig.1 Structure model of concert hall

本工程钢结构有钢箱柱及钢管混凝土柱24根，其中斜折线形钢柱20根，见图2，高度在28～33 m，柱内灌混凝土和柱外底部包混凝土，规格不等;还有H型钢混凝土梁、H型钢预应力混凝土梁、钢箱梁3种形式。斜折线形钢柱分布在音乐厅外围，对称钢柱顶有大跨H型钢预应力混凝土梁，最大跨度为66 m。最北端还有3根大斜柱，其上面有2层长达9 m的悬臂梁。各折线形钢柱间用钢箱梁连接，以增强结构稳定性。

图2 音乐厅钢柱柱位编号图Fig.2 Number of steel column

针对音乐厅这种复杂结构，进行施工模拟分析具有重要意义:

(1)具有多根形状不规则的钢柱，且形式多样，但规范对折线型柱并没有明确的计算方法和设计规定，也没有相关文献和资料研究其在施工中的受力变形情况，因此在施工过程及结构竣工后，各根钢柱的内力与传统的规则结构相比，不能进行简单的分析与计算，必须在施工监测计算中进一步明确。

(2)在屋面处有7根梁截面尺寸(最大1.0 m×3.5 m)和空间跨度(最大66 m)大的预应力混凝土梁连接在斜折线型钢柱上;且在3层的一端有长达9 m的悬挑部分，这部分结构的自重及施工荷载也对斜折线型钢柱的应力起着举足轻重的作用。

(3)在施工过程中，施工荷载的分析计算、施工方法的采用以及脚手架等的简化处理，对结构也有不可忽略的影响。

(4)折线形钢柱高度比较高，又向外倾斜，易引起倾覆弯矩，使得结构在重力荷载作用下的内力分布不同于常规结构，且施工中的微小影响，可能导致柱顶产生较大的侧向位移，若不及时纠正，一方面钢结构不能安装到位，结构设计线性发生改变;另一方面侧移会使荷载对钢柱产生二次偏心力矩，使结构应力和变形继续增大。

(5)由于本工程施工周期长，暴露的钢柱历经夏季和冬季，施工环境温差大，构件产生较大的温度初始应力和初始变形，影响钢结构的安装定位精度。

2 有限元计算模型

施工阶段的静力计算采用有限元分析软件(MIDAS/GEN)，其计算模型如图1所示。大跨、高层结构施工过程复杂，施工中存在各种参数误差，根据本工程的施工特点，在施工模拟中考虑的主要参数有:结构刚度、构件自重、施工荷载、混凝土的收缩徐变、温度、预应力、风荷载、地震作用等。对于这些参数，在施工模拟分析中必须进行有效的测定与识别。

本工程为大跨、异型的空间结构，结构形式复杂，钢柱形状严重不规则，构件的力学性能也各异，如此复杂的结构若采用传统的力学分析非常困难，进行施工过程分析则更不可能。因此，本文采用空间有限元方法作为施工模拟分析的计算工具。根据音乐厅构件施工过程中的工作性能，梁体和柱体简化为梁单元，楼板和剪力墙简化为板单元。

施工阶段按照实际的施工步骤分为10个阶段:基础→6 m以下钢结构→1层结构→6 m以上中段钢结构→2层结构→6 m以上上段钢结构→3层结构→屋面预应力梁→屋面结构→卸除支撑。

施工过程采用满堂支架。从混凝土浇注到达到龄期前的时间段内，不考虑混凝土对结构整体刚度的贡献，只作为荷载和施工活荷载一起通过脚手架传递给下层结构。当混凝土达到设计强度后，其自重和施工活荷载可通过本身梁和柱传递给基础。此时，拆除脚手架，混凝土参与受力，结构刚度发生突变。在整个施工过程中，假设脚手架刚度无限大，不存在弹性压缩和弯曲变形，只起到传递荷载的作用，因此在模型中可将其简化为作用在下层楼面的分布面荷载和作用在上层楼面的刚性支撑(不发生竖向位移)。

施工过程中，整个结构所受的荷载有自重、临时施工荷载、风荷载、温度效应以及施工误差的影响等。根据施工组织设计提供的荷载条件，其他荷载很小，可忽略不计，施工中只考虑结构自重、临时施工荷载和温度效应对结构的影响。根据实际情况和需求，施工过程中所有梁柱节点在模型中均按刚性节点考虑。

建筑物的温度作用主要是环境温度变化，一般可分为以下3种类型:①日照温度荷载;②骤然降温温度荷载;③年温温度荷载。对于结构而言，日照温度变化主要是太阳辐射作用造成;骤然降温温度变化主要是因为强冷空气的侵袭作用和日落后在夜间形成内高外低的温度分布造成的;年温变化则是极缓慢的自然界年气温变化所致的。气温变化和日照辐射不仅会对结构产生很大变形和内力，而且影响钢结构的吊装定位，对结构的施工产生影响。

由于折线型钢柱分布在音乐厅的周围，且其所处空间位置开阔，因此太阳辐射对折线型钢柱产生的温度场可以认为是均匀的，在此不予考虑。而音乐厅的施工周期较长，经历了大幅的整体升降温，本文假定结构的安装标准温度为18℃(年平均气温)，并以此为基础计算结构整体升温20℃的影响。

3 计算结果分析

3.1 柱脚处应力

图3显示了典型的斜折线型钢柱随施工工程的应力变化情况。其中图3(a)为柱C4的应力变化趋势，由于在该位置音乐厅只有一侧有钢柱，支撑不对称，荷载主要由钢柱承担，施工应力值较大，且在整个施工阶段总体呈快速线性增长;而温度应力在前2个阶段快速增长，然后稍有回弹，最终以平稳状态发展。图3(b)则代表了位置对称钢柱的应力变化情况，其中C8和C16为典型代表。2根柱的应力发展趋势相同，只是数值不同。荷载由两边对称的钢柱共同承担，每根钢柱分到的荷载值变小，约为图3(a)一半左右，施工应力随着施工阶段的进展缓慢增长，应力水平很低，但由于结构的不完全对称，导致两侧的应力大小略有差别;温度应力在前2个施工阶段快速增长，然后平稳发展，在施工阶段五(2层结构)时，温度应力发生突变，由压应力变为拉应力，但数值大小则变化不明显。

对比图3(a)和图3(b)可以发现，在施工过程中柱脚在施工荷载作用下总是处于压缩状态，应力为负。在施工时，为了保证钢柱的安装到位，在下段钢柱安装好以后，即对其上端进行约束，这样温度荷载产生的变形受到抑制，产生压应力，待2层施工时，放松钢柱上的约束，温度应力立即突变为拉应力。在整个施工阶段温度应力远大于施工应力，因此在施工时必须予以足够的考虑。拆除屋面支撑时，音乐厅已成为一个完整的结构，整体参与受力，此阶段应力变化不大。

图3 典型柱脚截面应力Fig.3 Stress of column foot section

3.2 柱截面最大应力

表1为在音乐厅施工过程中由施工荷载和温度荷载引起的柱截面最大应力，其中施工应力最大值为87 MPa，温度应力最大值为166 MPa，均小于钢材的屈服强度。施工荷载下的最大应力均发生在折线型柱的转折位置，在线性突变处发生应力集中，而温度变形受到约束，最大的温度应力均存在于柱脚位置。虽然每一项的应力值没有超过钢材的强度值，但这些荷载与包括焊接等施工因素的影响组合后，钢柱的实际应力可能变大，因此在实际的施工工程中必须进行应力监测，并与理论计算值比较，以确定合理的施工方案和步骤，保证结构的安全。

表1 施工过程中各柱截面最大应力Table 1 Maximum stress of steel column section during construcion MPa

4 结论

对于复杂的钢结构建筑，在其竣工后要满足2个基本条件:一是变形不超限;二是锁定结构的内力在一定的范围内。本文通过对带有多根折线型钢柱的异型音乐厅结构在自重、临时施工荷载、温度荷载作用下进行施工模拟分析，讨论了各关键点位随施工过程的应力变化情况。

(1)本文采用的施工模拟分析方法与实际施工情况符合，较为真实地反映了结构在实际施工过程中的受力变化情况，可为类似结构的施工提供参考。

(2)本文将支架做理想化处理，但在实际施工中支架必然会产生弯曲和变形，接下来的工作可以研究考虑脚手架实际刚度，分析它和结构共同工作时整个结构的受力情况。

(3)在钢柱的转折节点处易产生应力集中，因此在实际施工时，应通过合理的施工和焊接方案，降低该位置产生焊接附加应力。

(4)施工过程中需以模拟分析的应力为参考，采取合理的施工方法和措施来保证施工过程中结构的安全性，以及竣工后的设计线形符合设计要求。并进行实时跟踪监测，及时反馈，并与设计值进行比较、修正，以消除各种误差带来的影响。

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Analysis of stress for the oblique broken line form steel column during construction process

LIU Ren1，HE Gui-chao2，ZHOU Ling-yu2

(1.Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co，Ltd，Lanzhou 730000，China;2.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

For the shaped building，its working state of the construction stage is not exactly the same with that of normal use stage.Safety problems would appear during constructing stage，if the structure designed according to normal use stage.Taking a concert hall as engineering background，we can establish an all－ structure model through finite element analysis software Midas/gen，simulate the construction process，and obtain the stress of the oblique broken line form steel column at constructing under construction load and temperature load.The results not only have guiding significance for the locate and install of broken line form steel columns，but also can be used as reference for construction monitoring.

oblique broken line form steel column;staged construction analysis;temperature load;stress

TU 317;TU391

A

1672－7029(2011)06－0085－05

2011－10－18

刘 韧(1972－)，男，甘肃靖远人，高级工程师，一级注册结构工程师，从事钢结构设计与研究