青岛室内水乐园钢结构施工过程模拟分析

李春宝，赵致俊，潘友纯，刘晓辉

(1.中国石油大学(华东)山东石大科技集团，山东 东营 257061；2.莱西市建筑总公司，山东 青岛 266600)

青岛室内水乐园钢结构施工过程模拟分析

李春宝1，赵致俊2，潘友纯2，刘晓辉1

(1.中国石油大学(华东)山东石大科技集团，山东 东营 257061；2.莱西市建筑总公司，山东 青岛 266600)

施工过程中的施工顺序和时间效应都会直接影响施工安装阶段及使用阶段结构的受力性能，传统的一次性加载的数值模拟难以满足当前大跨度空间钢结构的需要，而且大跨度空间钢结构施工周期较长，施工期间如果现场温度变化比较大，钢结构也会产生一定的变形。因此必须通过对施工过程的模拟以保证施工阶段结构的安全性及竣工时结构的内力和位移满足实际需要。本文通过对某室内水乐园进行施工全过程模拟，确保了施工方案的安全性、可行性及科学性。通过模拟分析表明施工顺序对构件的变形及内力有很大影响，因此大跨度复杂钢结构施工前必须进行施工阶段数值模拟，并且给出了相关的施工建议。

施工模拟；大跨度；内力分析；施工检测

0 引言

在钢结构安装过程中，随着构件的增多，对于原始结构的内力和变形产生很大的影响，极有可能造成安装过程中的部分结构失稳或构件强度破坏而发生倒塌事故[1-5]。此时说明安装过程中的结构状态与投入正常使用时的结构状态是不完全吻合的。因此，在设计过程中只按照传统设计方法考虑整体结构建模进行一次性加载是完全不符合要求的[6-10]。即使结构安装成型，最终的结构内力和变形也与设计值相差很大，导致结构偏于不安全[11-17]。而且大跨度空间钢结构施工周期较长，施工期间如果现场温度变化比较大，钢结构也会产生一定的变形。因此大跨度空间钢结构必须考虑施工现场情况进行施工全过程数值模拟，本文以某水乐园为例进行施工全过程模拟，以此给出一些关于大跨度复杂钢结构施工的建议和意见。

1 工程概况

水乐园总用钢量约1 825 t。水乐园外围竖向结构为混凝土框架，钢屋盖长203 m，宽83.3 m，顶标高30.0 m。屋盖为大跨度管桁架体系，主受力体系由11榀主桁架和24榀边桁架组成。主桁架之间通过H型主檩条和圆管水平支撑连接。主桁架为鱼腹式倒三角管桁架，截面最大宽度4.2 m，最大高度5.5 m(管中心距离)，最大管径Ø640 mm×32 mm，单榀重量约120 t；边桁架为倒三角管桁架，最大宽度2.5 m，最大高度2.5 m(管中心距离)，单榀重量约3.3 t。水乐园整体结构形式为大跨度管桁架结构，主桁架均为鱼腹式倒三角桁架，下弦存在大量弯曲管件，构件很多。

2 钢结构施工方案

2.1 施工方案对比分析

(1)整体提升施工方法：预先在地面拼装主次桁架，利用多台液压千斤顶在柱端顶升桁架至标准位置。优点：不使用大型机械设备，工期短；缺点：技术难度较大，精度不易控制，容易发生构件变形，结构临时加固措施较多；且提升同步控制技术要求高，需专业公司完成；受桁架下方的房中房施工需滞后，增加其他工序施工难度；每榀主桁架均设置提升点措施，措施量大，费用较高；安全系数较低。

(2)主桁架滑移施工方法：在柱顶设计两条主桁架滑移轨道，在固定位置搭设少量脚手架后将其滑移至指定位置。优点：不使用大型设备，对场地要求不高，且不影响桁架下方房中房等其他施工环节的开展。缺点：技术难度较大，前期准备时间长，须特制滑移支承体系，而且滑移同步控制技术要求高，需要专门的滑移纠偏措施，临时措施量较大，工期相对较长。

(3)分段吊装施工方法：在地面搭设胎架，利用小型机械设备对其进行地面拼装，形成片式后利用大型设备将其吊装就位。优点：技术难度相对较低，可操作性强，可流水安装，陆续移交工作面，对其他工序的影响较小，有利于工期保障。通过合理的分段及高效的胎架周转部署，可大大降低费用；安全系数高。缺点：空焊接较多，人员投入多。

综合上述分析，本工程宜采用常规的分段吊装方法，其具有可操作性强，安全系数高等优点，对于高空焊接质量也可以通过针对性的措施加以控制，确保工程质量。

2.2 安装顺序

水乐园总体安装顺序：自东向西依次安装，先安装主桁架，再安装边桁架及次梁(如图1所示)。

图1 安装顺序示意图Fig.1 Schematics of installation sequence

2.3 水乐园安装流程

第一步：胎架搭设；第二步：吊装端头两段分段主桁架；第三步：吊装中间一段分段主桁架，第一榀主桁架吊装完成；第四步：同理施工第二、第三榀主桁架，并安装联系杆件；第五步：拆除前三榀主桁架下部支撑胎架，吊装第四、五和六榀主桁架，并安装第五榀与第六榀及第六榀与第七榀之间主桁架横向联系杆件；第六步：拆除第四、五和六榀主桁架下部支撑胎架，吊装第七、八和九榀主桁架。并安装第七榀与第八榀及第八榀与第九榀主桁架之间横向联系杆件；第七步：拆除第七、八和九榀主桁架下部支撑胎架，吊装第十和十一榀主桁架。并安装第十榀与第十一榀及第十一榀与主结构之间横向联系杆件；第八步：安装剩余横向联系杆件，钢结构安装完成。

3 施工模拟结果及分析

本工程桁架安装过程受力情况与最终设计状态受力状态有所不同，为指导施工方案的实施，需要对施工工程进行模拟分析。在施工阶段仅考虑结构自重荷载和施工荷载，永久荷载分项系数为1.2，施工荷载分项系数取为1.4；材料采用Q345钢，施工过程分析采用MIDAS Information Technology Co.，Ltd公司的通用有限元分析软件Midas/Gen Ver.2013进行模拟分析，施工过程中的恒载为自重及铸钢节点荷载，活荷载根据施工的具体情况取值，采用梁单元建模。

第1步：搭设支撑胎架，安装最东侧1榀桁架的前三个安装单元。

此阶段应力最大值为64.0MPa，Z向位移最大值为6.7 mm(如图2和图3所示)。

第2步：搭设支撑胎架，由东向西依次安装后续2榀桁架结构。

图2 应力云图Fig.2 Stress nephogram

图3 位移云图Fig.3 Displacement nephogram

图4 应力云图Fig.4 Stress nephogram

图5 位移云图Fig.5 Displacement nephogram

此阶段应力最大值为83.2MPa，Z向位移最大值为10.6 mm(如图4和图5所示)。

第3步：对已安装胎架进行同步卸载。

图6 应力云图Fig.6 Stress nephogram

图7 位移云图Fig.7 Displacement nephogram

此阶段应力最大值为74.0MPa，Z向位移最大值为81.2 mm(如图6和图7所示)。

第4步：搭设下一区域胎架，安装本区域结构。

此阶段应力最大值为87.9MPa，Z向位移最大值为81.2 mm(如图8和图9所示)。

图8 应力云图Fig.8 Stress nephogram

图9 位移云图Fig.9 Displacement nephogram

第5步：对本区域结构进行同步卸载并安装两个卸载区域间的次结构(后装带)。

图10 应力云图Fig.10 Stress nephogram

图11 位移云图Fig.11 Displacement nephogram

此阶段应力最大值为78.5MPa，Z向位移最大值为93.2 mm(如图10和图11所示)。

第6步：搭设下一区域胎架，并安装此部分钢结构。之后对本区域结构进行同步卸载；最后对安装两个卸载区域之间的次结构(后装带)及最后区域部分钢结构并补装剩余次结构。

此阶段应力最大值为92.1MPa，Z向位移最大值为95.0 mm(如图12和图13所示)。

图12 应力云图Fig.12 Stress nephogram

图13 位移云图Fig.13 Displacement nephogram

综合以上施工模拟分析过程，可知各施工阶段的应力均小于310MPa，并且变形量均小于120 mm，在允许范围内。并且胎架的承载力满足要求。结构的承载能力是安全的，故方案可行。

4 结论

通过对该水乐园项目施工过程的模拟及结果分析，得到以下结论：

(1)施工过程对结构影响显著，采用合理的施工方法尤为重要。结果证明采用常规的分段吊装方法，其具有可操作性强，安全系数高等优点。

(2)通过对安装全过程模拟分析，得到实际施工时不同工序下的关键部位内力和变形，为实际施工安装提供重要参考。

(3)应建立全面的施工监测体系，对安装过程的变形与应力应变和胎架释放位移与应力应变、气象等进行监测，及时掌握结构变形动态，确保结构安装精度和施工安全。

(4)安装过程中整个结构是符合规范且安全可靠的，不会出现因几何变形过大而导致无法完成正常施工的情况，更不会出现由于施工过程中部分结构由于失稳或是强度破坏而发生倒塌的事故。

(5)由于下弦存在大量弯曲管件，所以为避免缺陷应重视工厂的加工制作环节，同时对于大型构件还应注意构件在运输过程中的变形。

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Simulation Analysis on Steel Structure Construction Process of an Indoor Water Park in Qingdao

Li Chunbao1，Zhao Zhijun2，Pan Youchun2，Liu Xiaohui1

(1.Shandong Shtar Science & Technology Group in China，University of Petroleum (EastChina)，Dongying， Shandong 257061；2.General Construction Company of Laixi，Qingdao 266600，Shandong Province)

The construction sequence and time effect of the construction process will directly affect the mechanical properties of structure in the stage of construction and application.The traditional one-time loading of numerical simulation is difficult to meet the current needs of large-span space steel structure.Because of longer construction period for long-span space steel structure and the relatively large temperature changes at construction site，steel structure was supposed to have a certain deformation.Therefore，the construction process is necessarily simulated to ensure the structure safety in the phase of construction as well as the internal forces and displacement to meet the actual needs in the phase of completion.In this paper，through the simulation of whole construction process of an indoor water park to ensure the safety，feasibility and scientificity of construction scheme.The simulation results showed that the construction sequence had great influence on the deformation and internal force of the structure.Therefore，it is necessary to carry out the numerical simulation fore large span complex steel structure before the construction to provide the relevant suggestions for construction.

construction simulation；long span；internal force analysis；construction detection

2016-09-14

国家自然科学基金(E080507)

李春宝，博士，高级实验师。研究方向：结构工程、岩土工程、绿色建筑。E-mail：752251949@qq.com

李春宝，赵致俊，潘友纯，等.青岛室内水乐园钢结构施工过程模拟分析[J].森林工程，2017，33(2)：92-96.

TU 398.9

A

1001-005X(2017)02-0092-05