嘉兴万科邻里中心悬挂钢结构施工模拟分析*

沈海英，张潇南

(浙江中南绿建科技集团有限公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

悬挂钢结构一般由竖向承重主构架、吊件及悬挂钢构件组成。其中，承重主构架可采用钢筋混凝土核心筒或钢结构(钢框架或钢桁架等)，吊件一般采用高强钢束或型钢吊柱等，将悬挂钢构件与主构架相连。悬挂部位荷载先传递至主构架，再传递至基础。Schueller[1]按照支撑结构形式和吊挂方式的不同，将悬挂钢结构分为刚性筒式、张拉集成式及拉索桅杆式体系。刘郁馨等[2]将常见的刚性筒式悬挂钢结构细分为核筒式、框架式及拱形或悬索式结构，核筒式悬挂钢结构是以中部落地核心筒作为建筑的主要承重结构，在不同高度设置外伸结构，并通过拉杆将各结构层连接形成受力整体，其中，外伸构件为受弯构件，拉杆为受拉构件，中部核心筒传递竖向荷载，为受压构件。由此可见，悬挂钢结构体系传力路径通畅，各构件受力明确[3-4]，被广泛应用于空间结构、超高层结构和桥梁结构等体系中[5-6]。

然而，悬挂结构在施工过程中具有显著的时变因素，受施工影响较大，因此需对悬挂结构施工过程进行分析。张坤等[7]采用MIDAS Gen软件对中科院量子院巨型钢框架-上部悬挂下部支承结构体系进行了全过程施工模拟，分析关键构件和节点应力与变形情况；石开荣等[8]以珠海仁恒滨海中心项目为例，对临时支撑的卸载敏感性进行了研究；刘勇庆[9]对太原市水上运动中心终点计时塔进行了吊装过程模拟，实测结果与模拟结果基本一致。

本文依托嘉兴万科邻里中心项目，该项目未来展厅的屋盖悬挂钢结构体系安装采用支撑胎架和分区吊装相结合的施工技术，待整体屋盖钢结构拼装完成后进行整体卸载。采用MIDAS Gen有限元软件对整个施工过程进行仿真模拟，详细计算分析了屋盖悬挂钢结构在施工过程中的杆件位移和应力变化情况，以确保结构在安装过程中不出现局部破坏，并保证施工结束后结构处于设计位形状态。

1 工程概况

嘉兴万科邻里中心项目位于嘉兴市南湖区余新镇渔里社区，东至余新镇中心小学，南至张家桥港，西至五星路，北至市河，其服务于万科渔里未来社区，如图1所示。

本项目地上未来展厅屋盖为悬挂钢结构，标高25.000～33.000m，钢屋盖平面尺寸为47.7m×47.7m，投影面积约1 310m2，外形为飞碟状。本项目钢结构部分结构体系为核筒式悬挂钢结构，在中部核心筒顶部安装巨型钢桁架作为外伸结构，通过吊杆与下层楼面结构连接，形成完整的受力体系。屋顶悬挂钢结构由18榀半鱼腹式双层钢桁架组成，通过环向构件连接形成空间结构，承受下部楼层荷载。钢桁架通过中心圈梁与中部核心筒连接，将荷载传递至中部核心筒。屋盖桁架通过18根钢吊杆与下层楼层梁连接，保证下部楼层的荷载传递。未来展厅悬挂钢结构体系如图2所示。

2 屋盖悬挂钢结构施工

2.1 施工方案

由于该屋盖桁架最大悬挑长度为20.6m，重约36.5t，桁架长度较长，不便于整体运输。结合以往类似工程施工经验，钢桁架首先在工厂预制成散件，然后运输至现场拼装为整榀桁架。整体施工流程为：搭设临时支撑→吊装下部楼面梁→对称吊装屋盖钢桁架→安装下挂钢拉杆→拆除临时支撑，进行结构卸载。本工程屋盖悬挂钢结构为环形封闭结构，故基于分区、对称吊装原则确定安装方案，并考虑场地施工条件，将屋盖钢结构对称分为区域1～4，其中，区域1为按顺时针方向～②轴所围区域，区域2为按顺时针方向⑧～轴所围区域，区域3为按顺时针方向②～⑧轴所围区域，区域4为按顺时针方向～轴所围区域。吊装顺序为：区域1→区域2→区域3→区域4，如图3所示。施工区域的划分可充分利用分区场地进行桁架地面拼装，便于吊装，解决了施工场地不足的问题。

2.2 施工流程

1)施工准备

熟悉图纸，对钢结构构件进行深化设计。基于运输吨位和尺寸，将构件合理地分割运输单元，并在工厂进行加工制作。

2)钢构件运输及堆放

确定构件运输路线，构件分批次、分类型运输至施工现场，按照安装顺序进行堆放。同时，在施工现场做好构件防腐、防变形措施。

3)场地加固处理

为保证构件组装的精确性，防止构件在组装过程中由于胎架不均匀沉降导致拼装误差，需对拼装场地进行加固。基于260t履带式起重机的吊重分析，需对其行走路线进行加固。

4)临时支撑胎架搭设

基于施工过程中胎架的受力情况，选择格构式支撑胎架进行设计和安装，如图4所示。支撑胎架共分2段，第1段用于支撑楼面梁，待楼面梁施工完成后增高支撑胎架，用于支撑屋盖钢桁架。支撑胎架尽量布置于轴线位置远端，为施工过程中的楼面梁、钢桁架提供支点，使其在施工过程中不作为悬臂构件受力，减小楼面梁、屋盖钢桁架施工过程中的变形、应力。

5)下部楼面梁吊装就位

吊装就位设备为260t履带式起重机，楼面钢梁采用两点平吊，先安装径向钢梁，再安装环向连系构件，按，，①～轴的顺序安装，在，轴轴线处通过环向连系构件进行焊接，形成楼面体系。钢梁安装时可先将腹板连接板用临时螺栓进行临时固定，待调校完成后，更换为高强螺栓，并按设计和规范要求进行高强螺栓初拧、终拧及钢梁焊接。

6)屋盖钢桁架吊装就位

吊装就位设备为260t履带式起重机，屋盖桁架采用四点平吊。将屋盖桁架同样分为施工区域1～4，施工顺序为：区域1→区域2→区域3→区域4。首先安装4个施工区域分界轴线(②，⑧，，轴)钢桁架，然后在每个施工区域逐次安装内部钢桁架、内部环向连系构件，并在4个分界轴线处进行焊接。钢桁架安装时可先通过临时螺栓进行临时固定，待调校完毕后，更换为高强螺栓，并按设计和规范要求进行高强螺栓初拧、终拧及钢梁焊接。

7)安装钢拉杆

将钢拉杆与上层屋盖钢桁架、下层楼面钢梁进行连接，形成整体结构，协同受力。

8)拆除临时支撑

楼面梁、屋盖钢桁架及钢拉杆施工完成后，进行卸载。在临时支撑上布置千斤顶，将结构略微顶起，锁紧后从两边抽出垫板。千斤顶缓慢回落至垫块上，检查结构卸载情况，确认无误后按照相同步骤操作，直至结构完全卸载，并与临时支撑脱开，此时将临时支撑拆除。

9)安装钢筋桁架楼承板

将工厂加工完成的钢筋桁架楼承板模块单元吊装就位，焊接竖向支座钢筋和栓钉。

10)浇筑混凝土

在钢筋桁架楼承板中浇筑混凝土，并养护成型。

3 屋盖悬挂钢结构施工过程模拟

3.1 有限元模型及分析方法

为保证结构施工安全，需对施工过程进行模拟，分析结构变形和杆件应力比，为安全施工提供数据参考。

屋盖悬挂钢结构材料全部选用Q355B钢材，楼面梁和屋盖钢桁架均采用焊接H型钢，屋盖桁架连接采用型钢拉杆。有限元模型中(见图5)，楼面钢梁和屋盖钢桁架采用梁单元模拟，并根据实际情况赋予相应的截面尺寸，钢拉杆采用杆单元模拟，直径为100mm。屋盖受到中部核心筒和支撑胎架的约束，屋盖与中部核心筒连接处约束x，y，z向的平动自由度，与支撑胎架连接处约束z向平动自由度。模型施工过程中，其他荷载未施加，暂时不考虑，仅考虑构件自重荷载(含节点自重)，通过设定荷载放大系数(取为1.4)等效考虑施工附加荷载，保证施工过程中的结构安全。

本次施工模拟分析采用MIDAS Gen有限元软件施工阶段分析功能的生死单元法实现[10-11]。首先建立屋盖悬挂钢结构整体有限元模型并杀死所有单元；然后基于施工过程，逐步激活施工单元，进行数值分析，获得每个施工步状态下结构变形及应力分布；最后施工完成，结构所有单元全部被激活，获得施工完成后的结构变形和应力分布。为避免结构发生大偏移现象，采用节点修正生死单元法抑制死单元的过大漂移[12]。

3.2 施工过程分析

基于施工方案，首先施工下层楼面钢梁，间隔选择其中8个荷载步，提取最大竖向位移和最大应力比，如图6所示。

由图6可知，楼面钢梁开始安装时，最大竖向位移和最大应力比较小；随着钢梁的逐步安装，最大竖向位移和最大应力比逐步增加。安装⑦轴钢梁时(施工荷载步6)，最大竖向位移和最大应力比达峰值，均发生在③轴钢梁中部，这是因为④～⑥轴钢梁未与中部核心筒连接，故该部分结构自重由③轴钢梁和⑦轴钢梁承担，③轴钢梁悬挑跨度较大，承受较大的施工荷载。

在两端铰接的边界约束下，钢梁最大竖向位移和应力均位于中部区域。施工荷载步6对应的楼面钢梁位移与应力云图如图7所示，由图7可知，钢梁最大竖向位移为26.3mm，为钢梁跨度的1.25/1 000；钢梁最大应力为61.9MPa，处于弹性阶段。待楼面结构合龙后(施工荷载步8)，形成结构刚度，此时楼面结构竖向位移和应力略有减小。综上所述，在楼面结构施工过程中，结构竖向位移小，应力均在弹性范围内，满足施工要求。

待下部楼面结构施工完成后，需进行屋盖钢桁架施工。屋盖钢桁架施工分为32个荷载步，每个荷载步下的最大竖向位移和最大应力比如图8所示。

由图8可知，施工过程中，两端铰接的屋盖钢桁架在自重荷载作用下，最大竖向位移和最大应力比均较小，这是由于屋盖钢桁架作为悬挂钢结构，需将下部楼面等荷载传递至中部核心筒，故其结构刚度较大，在较小的荷载作用下，变形及应力均较小，满足施工要求。

将吊杆依次与上层屋盖和下层楼面梁连接，然后进行结构卸载，拆除临时支撑，此时屋盖悬挂钢结构在自重荷载作用下的最大竖向位移为28.9mm，最大应力为62.0MPa，如图9所示。杆件应力在弹性范围内，且有较大的安全储备，满足施工要求。

4 结语

本文基于嘉兴万科邻里中心项目，对屋盖悬挂钢结构体系进行施工模拟分析，主要得出以下结论。

1)基于屋盖悬挂钢结构环形封闭的结构形式，制定了分区、对称安装的施工方案。

2)采用有限元软件进行施工全过程模拟分析，

结果表明，在屋盖悬挂钢结构施工过程中，结构变形较小，杆件应力均在弹性范围内，且有较大的安全储备，满足施工要求。