超大悬挑桁架施工模拟分析

于 科 杜洪利 孙 伟 解晓东 陈前廷

1.中建八局第一建设有限公司 济南 250100；2.合肥工业大学 合肥 230088

1 工程概况

背景项目为交通银行金融服务中心（合肥）项目一期和二期一阶段B区营业厅及会议区大悬挑钢结构工程，位于合肥市滨湖新区CBD核心商务区，东临徽州大道，南临嘉陵江路，西临西藏路，北至用地边界。

B区营业厅及会议中心，地上4 层，建筑高度24.00 m，总建筑面积7 851 m2。营业厅及会议区地上4 层、地下2 层，首层层高6.00 m，2层以上层高均为5.20 m。主体结构采用钢筋混凝土（部分型钢混凝土）框架结构，地面以上（大悬挑外）区域采用钢筋混凝土梁板式楼盖体系。大悬挑采用空间钢结构桁架，主要分布在A～C轴之间，如图1、图2所示。

图1 营业厅及会议区钢结构平面布置示意

2 施工模拟目的

1）根据图纸和施工方案资料，建立B区营业厅与会议区模型，进行B区悬挑桁架施工过程的模拟分析，得到施工过程中悬挑桁架的内力、变形等变化情况，确定悬挑桁架的最大变形节点，为施工过程在保证安全的前提下顺利完成施工任务提供技术参考。

2）建立B区营业厅及会议区模型，通过对计算机模拟的施工过程进行计算，从而得到静力条件下，B区悬挑桁架的内力以及变形情况，为实际施工过程中搭设模板支撑提供数值计算依据。

图2 营业厅及会议区钢结构部分左视图

3 工作准备

1）依据资料。B区营业厅及会议区建筑与结构图纸；B区大悬挑钢结构施工专项方案；相关规范及标准。

2）方法。通过查看相关资料，对B区悬挑桁架项目总体概况进行详细了解，确定项目模拟分析的目的、方法，运用计算机软件sap2000v15.1.1建立结构模型，分别模拟悬挑桁架施工过程中和静力条件下悬挑桁架结构的内力及变形的发展过程和数值计算结果。

4 分析过程及结果

4.1 整体模型的建立

按照设计图纸，进行轴线的布置、结构构件的定义及布置，主体结构构件节点采用固结点，悬挑桁架钢结构节点采用铰接点，建立整体结构模型，如图3所示。

图3 整体模型

4.2 悬挑桁架模拟吊装施工过程分析

悬挑桁架吊装施工过程模拟时，按照B区悬挑吊装流程进行分析，整个模拟过程只考虑静力荷载，不考虑风荷载等的影响，通过静力条件分析，选择已有钢构件ZC2（□600 mm×600 mm×30 mm×30 mm）作为临时支撑[1-4]。不考虑悬挑部分压型钢板的铺设，取施工恒荷载为结构自重，主体结构的施工活荷载为3 kN/m2，运用sap2000阶段施工分析模块进行模拟分析，分析步骤及结果如下：

4.2.1 模拟施工过程步骤

4.2.2 数值模拟结果分析

图4 拆除轴临时支撑

图5 拆除轴临时支撑后的轴桁架变形

图6 拆除轴临时支撑

图7 拆除所有临时支撑后的轴桁架变形

在拆除所有支撑后，竖向位移超过4.5 mm的节点共16 个，如表1和图8所示。

表1 竖向结构位移超过4.5 mm的节点

图8 第2跨桁架YZ平面节点编号

4.3 悬挑桁架静态情况下的数值模拟分析

静力分析只考虑结构自重、梁间线荷载以及板面上施工荷载，不考虑风荷载以及地震荷载等条件。取结构线荷载为14 kN/m，施工活荷载为3 kN/m2，通过计算机软件模拟分析得出如下情况。

1）计算模拟结果显示，结构竖向位移超过35 mm的节点总共22 个，如表2所示。

表2 竖向结构位移超过35 mm的节点

2）静力条件下，悬挑桁架竖向变形随着悬挑距离的增加而增加，每一跨桁架平面横梁两端竖向变形较小，跨中最大竖向变形较大：第1跨桁架梁端节点竖向位移最大值为-21.671 8 mm，节点编号为261，跨中节点竖向位移最大值为-31.093 3 mm，节点编号为476，节点位置见图9。第2跨桁架端节点竖向位移最大值为-31.859 0 mm，节点编号为213，跨中节点竖向位移最大值为-41.878 8 mm，节点编号为477，节点位置见图8。综上所述，悬挑桁架的竖向变形均满足《钢结构设计规范GB 50017—2003》附录A表A.1.1中受弯构件挠度容许值的规定，表明在静力条件下，结构设计构件满足承载力和稳定性要求。静力条件下，悬挑桁架的总体变形如图10所示。

图9 第1跨桁架YZ平面节点编号

图10 整体变形示意

5 分析结论

1）在悬挑桁架吊装过程中，应严格按照B区大悬挑桁架钢结构施工专项方案进行，在整个悬挑桁架吊装过程中，运用科学测量仪器，确保桁架结构构件安装位置精确，并严格监控桁架各主要节点的变形情况，对轴桁架横梁的跨中以及两端节点（特别是表1中所列的节点）的位移进行重点监控，确保吊装过程科学合理、安全有效。

2）计算机模拟过程中未考虑风荷载的影响，在实际吊装过程中，应选择在无风或者风力不影响吊装的天气条件下进行施工。

3）计算机模拟施工过程中，临时支撑是整排拆除，在临时支撑实际拆除过程中，应科学选择单个临时支撑的拆除顺序，并在拆除过程中注意监控整个桁架的变形变化情况。

4）依据计算机数值模拟结果，在悬挑桁架结构实际施工过程中，结构变形应满足以下条件：

（1）在悬挑桁架结构构件安装过程中，拆除临时支撑前，悬挑结构所有构件最大变形量不超过1.5 cm；

（3）在结构吊装完成后，悬挑结构的第1跨横梁两端节点的竖向位移不超过2 cm，跨中节点的位移不超过3 cm，第2跨横梁两端节点竖向位移不超过3 cm，跨中节点的位移不超过4 cm；

（4）整个结构安装过程中，结构的X方向水平位移不超过1.5 cm，Y方向水平位移不超过1.5 cm。以上位移数值均为安全警戒值，如果施工过程中的监控数据超过上述数值，应立即停止施工，检查结构构件节点、构件变形等相关情况并进行分析，采取安全防护措施，在确保安全的情况下进行后续施工。

6 结语

通过有限元软件建立超大悬挑桁架有限元模型，按施工方案中超大悬挑桁架的安装流程，模拟各阶段施工状态结构稳定性，依据计算结果验证施工方案的可行性，确保施工顺利进行[5-8]。