南京牛首山文创中心异形钢框架施工及其关键节点分析*

徐进贤，蒯 军，潘林海，朱明亮

(1.江苏新蓝天钢结构有限公司，江苏 南京 211111； 2.南京建凯建设项目管理有限公司，江苏 南京 210000； 3.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096)

0 引言

随着现代建筑的发展，建筑设计过程中的框架逐渐趋于复杂化，钢结构以其自身的受力特性使异形钢框架建筑不断涌现。国内外学者针对异形钢框架建筑做出了大量研究，用以优化设计并指导施工[1]。刘学春等[2]对某大跨度复杂异形钢框架结构进行了设计研究，通过选取框架进行实体有限元分析，针对受力性能薄弱的节点部位提出了加强措施。李宏伟[3]以青岛火车北站为工程背景，利用ABAQUS软件对屋盖及支座的关键节点进行线性及非线性分析，验证了关键节点安全性，改善了节点受力性能。隋伟宁等[4]利用ABAQUS软件对异形钢框架节点在地震作用下的力学性能进行分析和理论对比。余流等[5]对某一异形框架结构基座的施工关键技术进行了研究，通过施工方案控制保证了施工精度，降低了施工成本，有效缩短了施工工期。吴凤子[6]对某高层建筑异形钢骨柱施工进行详细研究，通过对施工精度及施工过程的控制确保了项目顺利开展。

本文针对南京牛首山文创中心异形钢框架安装施工，采用MIDAS Gen软件对异形钢框架安装进行了施工过程模拟，并对钢屋盖中的3个关键节点进行有限元分析，计算节点在最不利状态下的受力性能，保证结构安全。

1 工程概况

南京市牛首山东麓酒店综合项目位于牛首山东入口游客中心北侧，规划有酒店、宴会大厅、演艺中心、文创中心等，总建筑面积达16.47万m2，计划总投资约26亿元(见图1)。

图1 牛首山东麓酒店综合项目效果

其中文创中心为不规则钢结构框架，主要包含圆管钢柱、框架钢梁及楼承板，如图2所示。主要材质为Q345B，总用钢量为700余t，钢结构截面规格如表1所示。

图2 文创中心钢结构整体示意

表1 文创中心钢结构截面规格

2 异形钢框架施工

2.1 施工方案

1)完成钢结构施工图设计后，详图设计人员根据施工图提供的构件布置、构件截面、主要节点构造及各种有关数据和技术要求，严格遵守钢结构相关设计规范和图纸的规定，完善构件构造。

2)根据工厂制造条件、现场施工条件，并考虑运输要求、吊装能力和安装因素等，确定合理的构件单元。最后再运用专业的钢结构深化设计制图软件，将构件整体形式、各零件尺寸和要求及零件间的连接方法等详细地表现在图纸上，以便制造和安装人员通过查看图纸，清楚了解构造要求和设计意图，完成构件在工厂的加工制作和现场组拼安装。

3)由于钢结构形状不规则、现场拟定工期短，故需根据现场条件，对文创中心现场吊装方案进行精细化设计，并通过三维模型进行吊装模拟。

4)演艺中心钢结构柱均为钢管柱，吊装时采用100t汽车式起重机进行就近吊装。先吊装地下2层钢柱，待内部地下1层混凝土结构施工完成再吊装地下1层钢柱。在地下混凝土构件现浇完成后，吊装地上部分钢柱及钢梁，高耸钢柱安装时张拉钢丝绳以确保安装过程的稳定性。钢柱安装流程如图3所示。

图3 钢柱安装流程示意

5)所有钢柱安装完成后，按每间为1个安装单元进行钢梁安装，使安装后的钢结构形成彼此支撑的稳定结构。周边有部分钢梁搭载在±0标高的混凝土露面上，待此处混凝土施工完成后用塔式起重机或汽车式起重机就近安装。钢梁分区如图4所示，安装流程如图5所示。

图4 钢梁分区

图5 钢梁安装流程示意

2.2 施工过程模拟

利用MIDAS Gen有限元分析软件，按划分单元对异形钢框架吊装过程进行施工过程模拟。施工过程中主要考虑结构自重，通过提取软件各杆件单元总重与设计构件统计重量进行对比，对有限元分析中设置的自重系数进行修正，柱脚位置设置为固定端约束，施工过程分析流程如图6所示。

图6 施工过程分析流程示意

仅考虑结构自重时，施工各阶段最大组合应力为23.60MPa，最大组合变形为6.11mm(见图7，8)，满足施工过程的强度及刚度要求。

图8 施工各阶段组合变形(单位：mm)

3 关键节点有限元分析

钢框架节点由多根截面不同的型钢交于圆形钢柱上，这些节点连系杆件较多，受力复杂，且施工过程中易产生缺陷，存在隐患，因此，有必要进行详尽的节点有限元分析，掌握节点内的应力分布，理论验证节点安全。根据设计要求，采用ABAQUS软件对钢框架中3个代表性节点进行弹塑性分析(见图9)，计算节点在最不利状态下的受力性能。

图9 分析节点位置

由于杆件较长，为避免因长度引起的附加荷载，同时考虑端部加载对节点的影响，取杆件长度为管径的1.5倍，即主管长度1 500mm。由于节点处连接杆件较多且杆件管径也较大，为保证有限元分析的准确性，节点相贯处网格划分加密，确保无畸形单元出现影响分析结果。

根据工程特点及ABAQUS单元的基本特征和适用范围，杆件和节点核心区分别采用C3D8R，C3D10M单元进行划分。根据节点情况，将核心区划分为10mm左右单元，非核心区划分为16mm左右单元，分析时约束柱底平面，其余杆件荷载为其内力，直接以荷载形式施加。

分析时考虑材料及几何非线性，但不考虑节点区焊缝及残余应力对钢管节点的影响，材料弹塑性的发展和单元刚度由von Mises屈服准则及塑性流动法则确定。杆件材料特性如表2所示。

表2 杆件材料特性

为保证实际建模分析时的有限元模型施加荷载时各杆件端部不发生翘曲，模拟各杆件端头的刚化，将杆件端部截面中心点和截面上所有节点耦合连接起来，以此来保证杆件端部始终为平截面，荷载直接施加于端部截面的中心点处。3种节点在最不利工况作用下的等效应力如图10所示。由图10可知，节点1，2等效应力较小，最大应力≤200MPa。点相贯处应力略大，出现应力集中现象，而其余大部分区域应力水平较低，均处于弹性状态。

图10 各节点等效应力云图(单位：MPa)

节点3在梁柱相交处应力水平较高，达316.2MPa，主要发生在梁柱相贯处。查看节点3构造发现，柱内未设置加劲板，环板能够传递梁上的力，但会使柱局部受力较大，故重新模拟环板处增设内加劲板后该节点受力(见图11)。由图11可知，增设内加劲板后，节点3最大应力为251.1MPa。

图11 内设加劲板后节点3应力云图(单位：MPa)

4 结语

本文基于南京牛首山东麓酒店综合项目文创中心，对异形钢框架施工进行了节点分析及安装过程控制，得出以下结论。

1)通过对异形钢框架的深化设计，根据工厂及现场条件，综合考虑吊装能力及安装因素等，确定施工顺序，并通过三维有限元模型对吊装过程进行模拟，有效指导施工，使施工顺利进行。

2)利用MIDAS Gen软件对异形钢框架进行施工过程模拟，在考虑结构自重荷载作用时，施工各阶段强度、刚度均满足要求。

3)利用ABAQUS软件对3个具有代表性的梁柱节点进行弹塑性分析，计算节点在最不利荷载作用下的受力性能。通过计算结果对受力较大节点进行局部加强，确保了施工安全。