钢结构空中连廊施工过程仿真分析

中国葛洲坝集团机械船舶有限公司 湖北宜昌 443000

随着社会经济的发展，新颖、美观、复杂的超高大跨度城市建筑随之出现，如超高层结构、带转换层结构、高空超大跨度连体钢连廊结构等。钢结构地面拼装和同步提升技术也随之应用于国内外施工之中。

1 工程概况

该工程由1-4号楼共4座高180m的塔楼及连接4个塔楼的钢结构空中连廊组成。4座塔楼的用途主要为商场、办公楼及商业中心等，钢结构空中连廊的主要用途为观光。该钢结构空中连廊距地面185m，其主体跨度为305m，宽度为28m，支撑并跨越4座塔楼，最大悬空部分长42m。与其他结构形式相比，钢结构具有抗压、抗拉及跨越能力强等优点，故选择钢结构作为本空中连廊的主体结构，该工程的建筑布置示意见图1。

图1 建筑布置示意

2 有限元模型的建立

利用有限元软件SAP2000对施工过程进行模拟，其中钢结构空中连廊的所有材料均采用Q345钢材，其弹性模量E=2.0 1011Pa，材料泊松比γ=0.3，钢材密度ρ=7.84 103kg/m3。荷载取值为：施工活荷载为4.8kN/m2；上层的钢框架为10.0kN/m2；搭设的模板及钢管脚手架为0.8kN/m2；玻璃幕墙及围护荷载为15.02kN/m2；其他活荷载为0.9kN/m2。其与基础连接方式假设为完全刚接，上部桁架的底部采用4个支座，一端为2个滑动支座，一端为2个铰支座。将传送胶带和屋面顶棚等对结构整体刚度影响较小的构件换算成活载和恒载传递至本模型。由于本结构为对称结构，只需研究其部分结构，本文建立的有限元模型如图2所示。

图2 基于SAP2000建立的有限元模型

3 大跨度钢结构连廊施工方法分析

3.1 高空原位散装法流程

由于本钢结构主桁架跨度大、最大悬空长度大且钢结构空中连廊距地面高，受诸如风、塔楼不均匀沉降等多种因素的影响，直接提升法等许多常规施工办法不适于本工程。根据国内外其他项目的施工经验，本文选择高空原位散装法进行施工[1]。图3为第一步桁架的安装流程。

图3 第一步桁架的安装流程

3.2 位移控制措施——拉索结构

通过对国内外类似项目的借鉴，结合本项目的施工情况选择拉索结构作为控制措施，对主桁架的内力和位移进行控制。拉索结构具有施工简单、自重小，特别适用于大跨度结构。拉索一般采用钢丝，目前用于悬索桥的钢丝直径一般选用4-7mm，本工程选用7mm钢丝，一般情况下钢索包含7根钢丝，其拉伸强度在1800-1900MPa。本工程选用夹片式群锚作为施工锚具[2]。

拉索的施工流程为：（1）设置一个高度为10m的刚性格构柱，并将高强螺栓设置在钢桁架主体结构与底部之间以保证结构在完成对接后方便拆卸。（2）为了防止发生横向失稳的情况，本结构采用横向加拉索的形式并将H型钢梁设置于3根格构柱之间，使得3根格构柱变成一个整体以增强结构柱的稳定性。（3）将夹片式群锚锚具安装在刚性柱上，在主桁架上增设1个铁制连接器环。（4）进行钢绞线的安装工作并将钢桁架与拉索进行连接。（5）当钢绞线安置好之后，将钢绞线松开至一定长度，然后将其伸入锚具端口，此时应注意钢绞线和夹片之间咬合的牢靠性。至此完成1根钢绞线的安装工作，其他钢绞线的安装方式与上述步骤相同。

3.3 加拉索后结构的模拟分析

由以上分析可知可知，增设安装拉索后第1榀和第2榀主桁架的42根杆件的应力比均小于1，说明增设拉索后各杆件的受力处于正常状态。同时根据有限元软件的计算结果显示，拉索所受拉力的最大值出现在工序5时，其最大拉力为2128.89kN，如图4所示。

图4 各拉索的拉力kN

根据前文提到的钢丝的拉伸强度，经过换算可得拉索的最小截面直径为47.58mm，考虑其他因素，本文选择直径为50mm的拉索。同时有限元计算结果显示，加拉索前结构的最大位移为342.85mm，增设拉索后最大位移减小为29.75mm，此位移大小可以通过对拉索结构的预调节进行控制[3]。

4 结语

为解决主体跨度为305m、质量6000t和提升高度185m的大跨度钢结构空中连廊施工过程中存在的难点，利用有限元软件SAP2000对大跨度钢结构连廊的施工过程进行了模拟。结果显示，在进行工序3时部分杆件发生破坏且钢结构的最大位移达342.85 mm。针对上述问题，结合该项目实际施工情况，采用增设拉索结构的方式进行施工控制。有限元计算结果显示，增设拉索后各杆件内力明显减小，钢结构的最大位移为29.75mm，拉索最大拉力为2128.89kN，各指标均在可控范围内，证明了该施工方法的适用性和安全性。