中国VR中心大厦悬挑钢平台施工全过程仿真分析

杨 伟

(1.福建省建筑科学研究院 福建福州 350025； 2.福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

0 引言

施工过程中可能会发生由于结构不完整导致不堪施工荷载的情形，特别是如何保证结构在施工过程中体系平稳有序、安全地转换是施工控制的关键。因此，有必要应用施工过程力学分析对整个施工工况的应力及变形进行计算，从而制定合理安全的施工方案，确保结构施工的安全性[1-5]。

本文结合中国VR大厦悬挑钢平台的施工，利用MIDAS/GEN 软件对施工全过程进行了数值模拟分析[6-7]，以期为施工安全提供技术参考和依据。

1 工程概况

该工程为商业办公楼，总建筑面积29 683m2。地上20层，均为商业办公楼，地下设1层地下室，建筑功能为停车及相关设备配套用房，地下室为全埋式，埋深约6.0m，效果图如图1所示。结构高度为100.5m，为钢框架-核心筒结构。柱脚为埋入式柱脚，埋入承台2m，并通过锚杆与混凝土结构锚固，核心筒主要由十字钢骨柱和剪力墙钢骨梁构成，钢骨柱与钢骨梁、外框架钢梁通过牛腿相连接。外框架结构主要有钢管柱、型钢梁、钢斜撑和桁架组成大楼。

图1 中国VR中心大厦效果图

两侧钢骨柱由标高±0.000m至标高+32.830m向内倾斜，由标高+46.330m至屋面向外倾斜。除两侧倾斜钢柱外，其余钢管柱由底至顶在管内灌注混凝土，两侧倾斜钢柱仅浇筑至11层(标高+50.830m)。5～6层间还设有悬挑钢桁架结构，由H型钢焊接而成，其所在悬挑框架结构，钢梁最大悬挑长度约为11.65m。中国VR中心大厦结构布置情况如图2所示。

本文主要针对悬挑钢桁架平台的施工过程进行数值模拟与分析。

图2 中国VR中心大厦结构布置情况

2 悬挑平台施工方案

悬挑平台安装时，根据平台的对称性，采取从左向右、上下层同步安装的顺序进行施工。

由于施工过程中涉及单根悬挑钢梁的安装、临时固定和变形控制，故该部位安装时，应遵循先形成小整体结构，再逐渐形成大整体的原则，并辅以悬挑端头预抬、临时措施拉结等措施。具体施工安装步骤如图3所示。

为避免结构安装过程中出现较大变形，在上下层各选取4处悬挑梁靠近端头位置设置双向缆风绳进行临时拉结，结构安装完整后再最终拆除，如图4所示。

(a)第一步：先进行5～6层边缘位置首根悬挑钢梁安装，上下同步安装，先装下部钢梁，再装上部钢梁，现场不做临时措施；后安装上下挑梁间的立柱，并完成悬挑梁、立柱间的斜撑。 (b)第二步：安装5～6层边缘位置二段悬挑钢梁和轴线1～6上悬挑钢梁，钢梁就位后，边缘位置二段钢梁不做临时措施。上下同步安装，先装下部钢梁，再装上部钢梁。

(c)第三步：安装上下部钢梁间外立柱。 (d)第四步：立柱间钢梁安装。

(e)第五步：轴线1-2和1-3间截面较大钢梁安装。 (f)第六步：钢梁间次梁及支撑安装。

(g)第七步：悬挑钢梁安装，安装完成后用双向缆风绳将钢梁悬挑端头拉结至内侧标高较高钢梁上拉结位置为钢梁悬挑端头向内3m位置。上下同步安装，先装下部钢梁，再装上部钢梁。 (h)第八步：上下梁间钢柱安装，安装完成后进行柱间钢梁安装。

(i)第九步：轴线1-3至1-4轴间钢梁及支撑安装。 (j)第十步：参照同样步骤完成其余悬挑平台钢结构的安装。

图3悬挑钢桁架的施工步骤

(a)平面图 (b)剖面图图4 悬挑梁端缆风绳设置

3 施工过程仿真分析

由于施工安装以及临时措施解除，将逐步改变结构模型约束和形体过程，为确保上述施工方案合理可行，保证结构施工安全，施工过程的数值模拟提供了一种有效的分析手段[8-12]。

3.1 MIDAS/GEN分析模型

针对上述施工方案及步骤，施工过程模拟总共分为23个施工模拟阶段，将每个施工阶段的单元作为一个结构组，并激活或钝化此阶段的边界组和荷载组，从而进行该施工阶段的有限元分析。同理类推其它施工阶段的模拟，且MIDAS/GEN软件可以将这一阶段的内力、变形作为下一阶段分析的初始条件。该工程共进行23个施工阶段的模拟，即CS0～CS22阶段，分析过程中仅考虑结构自重(考虑部分施工荷载，自重系取为1.05)。梁、柱、斜撑构件均采用MIDAS/GEN软件中的梁单元进行模拟。

3.2 仿真分析结果及建议

限于篇幅，本文仅给出部分施工过程的结构变形和应力结果，如图5～图9所示。

(a)变形(mm)

(b)应力(MPa)图5 CS1阶段的整体变形及应力

(a)变形(mm)

(b)应力(MPa)图6 CS6阶段的整体变形及应力

(a)变形(mm)

(b)应力(MPa)图7 CS11阶段的整体变形及应力

(a)变形(mm)

(b)应力(MPa)图8 CS19阶段的整体变形及应力

(a)变形(mm)

(b)应力(MPa)图9 CS22阶段的整体变形及应力

由图5～图9可知，在每个施工过程悬挑平台在悬挑梁的端部竖向变形和根部的应力均最大和较大，施工过程中应进行重点观测，变形测点(编号：C1～C12)布置和应力测点(编号：S1～ S8)布置分别如图10～图11所示。

图10 悬挑平台梁变形重点观测点位置

图11 悬挑平台梁根部应力观测点位置

根据施工过程模拟，软件可以直接绘制得到各观测点的施工过程竖向变形和应力的变化曲线，如图12～图13所示。

图12 施工过程各观测点竖向变形曲线

图13 施工过程各观测点应力变化曲线

由图12～图13可知，随着施工过程不断进行，各观测点的竖向变形和应力均随之增大，各测点在开始阶段增加明显，而在后续施工阶段则趋于平缓，但最后在缆风绳拆除阶段(CS22阶段)各测点应力和变形均明显增大，最终最大竖向累积变形位于测点C2和测点C8，如图9～图10所示。最大竖向变形值达到5.93mm；应力大值位于测点S2、S3、S6和S7，分别为24.9MPa、25.2MPa、25.4MPa和25.7MPa，如图9～图11所示。

以上可发现，此案例考虑施工过程模拟对结构的变形影响较大(一次性加载变形对称中间4个测点变形应最大)，而对结构的内力影响不大，基本还是在中间测点的应力最大，这在施工过程应引起重视，尤其是变形敏感处的控制。

此外，结构在安装过程中，结构内力随之进行重分布。在结构施工完毕后，钢桁架斜撑最大轴应力达到10.3MPa，建议增加观测点(布置位置如图14中S9～S12所示)观测其受力变化，以确保施工过程安全。

图14 施工完成后钢桁架斜撑轴应力云图(单位:MPa)

4 结论及建议

(1)通过MIDAS/GEN有限元数值模拟，可以发现钢平台悬挑梁的根部应力、斜撑轴力受力较大，在施工过程应注意控制。

此外，悬挑梁的悬挑端变形较大，且平台施工结束后竖向最大变形并非位于对称的中间位置，这与一次性加载有限元分析的结果不同，主要是由于软件可以根据施工步骤的情况，将上一阶段的内力、变形结果作为下一阶段分析的前提，充分说明了进行施工过程模拟的重要性和必要性。

(2)建议施工过程进行必要的变形和应力监测，以确保整个施工过程的安全，并给出监测测点的布置方案。

本案例可供相关类似工程参考。

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