太原水上运动中心终点塔钢结构施工过程受力性能分析*

孟宣瑛，李立军

(太原理工大学土木工程学院，山西 太原 030024)

0 引言

钢结构施工过程是结构体系和受力状态不断发生变化的过程，在此过程中，结构体系由非完整到完整，临时支撑从搭建到拆除，各阶段研究对象的刚度、边界条件、荷载情况、外界施工环境等均会随之改变。上一个施工步中结构体系受力状态必然会对下一个施工步中结构体系造成不可忽略的影响，工程竣工后，结构在设计荷载下的最终内力和变形是各施工阶段内力变形的叠加累积。其中涉及结构状态的几何非线性、材料非线性及边界条件非线性等问题，研究结构的这种几何形状、物理特性、边界状态等内部参数随时间变化的力学称为时变结构力学。时变结构力学又可分为快速时变结构力学、慢速时变结构力学和超慢速时变结构力学，施工力学则属于慢速时变结构力学。施工力学分析的数学基础是时变数学，几何参数、物理参数、边界参数均为时间函数，因此，控制方程为变系数微分方程或时变边值条件。使用的数值方法主要包括有限单元法、时变单元法、拓扑变化法等。而单元生死技术和分步建模技术正是目前施工过程力学分析研究和应用较为广泛的方法，本文主要采用单元生死技术进行分析。

1 工程概况

太原水上运动中心终点塔地上主体结构采用钢结构框架-核心筒结构体系，建筑高度21.8m，钢结构类型为悬挂结构，屋面顶部采用钢结构桁架。混凝土劲型钢柱为焊接箱形柱，吊柱为圆管钢柱，钢梁均采用H型钢和箱形截面，最大板厚为40mm，使用钢材材质均为Q345B。钢构件截面类型如表1所示。

表1 钢构件截面类型

临时支撑立柱选用φ600×15直缝焊管，横撑及斜撑选用H300×150×6.5×9。为简化分析模型，本文假设钢框架节点均为刚性节点，临时支撑材质与钢框架相同。模拟过程中考虑的荷载主要为重力荷载，同时考虑施工阶段安全性，对重力荷载采取一定的放大系数，取值为1.35。混凝土强度等级为C40，弹性模量为32 500MPa，泊松比为0.2，密度为2 400kg/m3； Q345钢材弹性模量为206 000MPa，泊松比为0.3，密度为7 850kg/m3。

2 有限元分析

2.1 模型建立

有限元分析模型的建立是在Revit和ANSYS中协同完成的。采用中间文件方式，将Revit中建立的混凝土核心筒模型导出为标准 ACIS格式文件(.sat)。 而导出的实体文件并不能直接用于有限元分析，需进行一定的处理和简化，故先将ACIS文件导入Workbench中进行模型(DM模型)修复。Workbench提供了多种模型简化修复方法，排除对结构分析几乎无影响的微小几何体等，便捷的人机交互界面使模型修复工作大大简化。在确认模型准确无误后，将DM模型通过IGES文件(.igs)导入APDL中，然后在APDL中完成钢框架模型建立。最终的有限元分析模型如图1所示。

图1 终点塔有限元分析模型

2.2 网格划分与接触设置

划分网格时，核心筒混凝土部分采用solid65单元，型钢柱采用solid186单元；钢框架部分钢梁和钢吊柱均为beam188单元；临时支撑柱为pipe288单元，临时支撑斜杆采用beam188单元。整个模型中涉及实体单元和线体单元，因此，要使划分好的实体网格和线体网格能共同作用，需在钢框架与混凝土核心筒接触部位建立接触单元，本文采用MPC算法作为接触算法。

2.3 施工过程模拟

终点塔钢结构安装总体顺序为：屋面桁架现场拼装→桁架临时支撑安装→屋面桁架整体抬吊→核心筒两侧首层平台梁和吊柱安装→临时支撑卸载→其余首层平台梁及吊柱安装→2～4层平台梁安装。施工步如下：①第1步 支设临时支撑柱，即将除混凝土核心筒和临时支撑柱之外的其他构件单元全部杀死；②第2步 吊装并安装屋面桁架，即激活屋面桁架相关单元；③第3步 安装混凝土核心筒南北两侧1层平台梁和相连接的6根吊柱，即激活该位置1层平台梁和吊柱相关单元；④第4步 逐级缓慢拆卸临时支撑柱，即杀死临时支撑柱相关单元，预计此时桁架下弦核心筒处混凝土已达到设计强度；⑤第5步 继续安装混凝土西侧(分析模型东侧)1层平台梁和相连接的4根吊柱，即激活相应的平台梁和吊柱单元；⑥第6步 完成混凝土核心筒东侧平台梁和相连接的4根吊柱的安装，即激活相应位置1层平台梁和吊柱单元，此时1层平台梁和吊柱全部安装完毕；⑦第7步 安装2层平台梁，激活2层平台梁相关单元；⑧第8步 安装3层平台梁，激活3层平台梁相关单元；⑨第9步 安装4层平台梁，激活4层平台梁相关单元，全部钢框架安装完毕。

使用单元生死技术模拟9个施工步，得出合位移云图和钢框架轴向应力云图，根据应力云图得出钢框架各施工步分析结果最大值，如表2所示。

由表2可知，第5～6施工步，随着施工步的增加，各项分析结果反而呈现出减小趋势，可能是由于第6步施工时所安装的平台梁和吊柱对屋面桁架起到了拉结作用，从而减小屋面桁架位移和内力值。根据单元生死技术得出的最终桁架合位移最大值为25.168mm，小于设计容许挠度值40mm；Q345B钢材设计许用应力为210MPa，而计算得出最大轴向应力为47.505MPa，满足要求。一次性加载得出的最大位移为15.311mm，最大轴向应力为29.667 MPa，均小于单元生死技术得出的结果，而且差距较大，未考虑施工过程中的效应叠加。由此说明一次性加载计算方法在实际钢结构施工时会存在非常大风险，不适合钢结构施工阶段的力学验算。

表2 钢框架各施工步分析结果最大值

实际施工时，为能更好地获得钢框架变形情况，在其上可能的位移超限点处设置位移监测点，并记录监测数据。由于条件限制，只给出钢框架施工过程6个阶段中位移变化最大点处监测数据，实测数据与ANSYS单元生死技术模拟数据如表3所示。实际工程中，还利用3D3S软件对钢结构施工过程进行模拟，模拟数据如表3所示。3组数据变化曲线如图2所示。

图2 位移模拟数据与实测数据变化

表3 位移模拟数据与实测数据对比 mm

由图2及表3可知，模拟数据和实测数据具有基本相同的发展趋势，而且随着施工过程的推进，三者数据差距逐渐拉大，符合施工过程中荷载叠加累积效应规律。可认为ANSYS生死单元技术模拟结果可靠，可将其作为实际施工参考，指导施工。但ANSYS模拟数据及3D3S模拟数据均略小于实测数据，原因如下：①采用ANSYS，3D3S分析时，均采用简化的混凝土核心筒和钢框架模型，未考虑实际核心筒内混凝土可能发生较大收缩徐变及钢框架中铰铰连接处可能产生的变形；②未考虑钢结构构件在生产和安装过程中不可避免的构件尺寸偏差等；③模拟中对混凝土核心筒底部采用完全刚性约束，未考虑基底沉降影响；④未考虑实际施工时外部环境的荷载效应，如温度、风荷载等。

此外，ANSYS模拟位移小于3D3S模拟位移，因ANSYS模拟时只考虑重力荷载，而3D3S模拟时考虑荷载组合效应，即重力荷载(分项系数1.35，组合系数1.0)与施工荷载(取1.5kN/m2，分项系数1.4，组合系数0.7)的组合。

2.4 方案优选

屋面桁架安装完成后，需拆卸搭建的临时支撑架。卸载过程中，涉及结构体系荷载情况、整体刚度及边界条件等的变化，结构内力发生重分布。拆卸支撑后，屋面桁架由简支状态转变为悬挑状态，悬挑端可达16m，悬挑部分桁架杆件产生拉压杆转换，控制这部分杆件结构内力变化是保证整体结构体系安全的关键。因此，须模拟临时支撑柱拆卸，确定合理的施工方案。

方案1为在2.3节所述施工顺序第4步拆除临时支撑柱。方案2为在屋面桁架安装完成后，首层平台梁安装前拆除临时支撑柱，接着按2.3节所述施工顺序继续施工，即在第3步拆除临时支撑柱。为更直观地显示临时支撑拆除时屋面桁架位移和内力变化，在屋面桁架上分别选取6个位移观测点和12个内力观测点。观测点布置如图3所示。

图3 观测点布置

卸载临时支撑后观测点处位移和内力变化分别如表4，5所示。

表4 方案1，2拆撑过程位移对比 mm

表5 方案1，2拆撑过程轴向应力对比 MPa

3 结语

临时支撑不同拆卸方案不仅会影响施工阶段模型变形和内力，还会对最终整体结构模型受力和变形状态产生一定影响。使用涉及接触单元的生死单元技术提前对可行的施工方案进行模拟，结果符合实际结构力学状态变化，可作为施工和方案优选的参照，从而避免施工过程中的安全事故。

由表4，5可知，方案1，2拆除临时支撑时桁架观测点处的位移和内力变化值相比差距不大，竖向位移最大变化值为15.724mm，轴向应力最大变化值为28.525MPa，均在许可范围之内。而总体上，方案2临时支撑拆卸后，观测点处位移突变值普遍大于方案1；方案2与方案1观测点处应力突变值相差无几。方案1，2计算结果最大值对比如图4，5所示。由图4，5可知，方案1桁架各步分析的最大合位移和最大轴向应力值较方案2均更小，因此，综合来说方案1更优。故在第4个施工步卸载临时支撑为较合理的施工方案。

图4 方案1，2合位移最大值

图5 方案1，2轴向应力最大值