盐城电视塔——观光层悬挑结构 施工过程模拟分析研究.doc

盐城电视塔观光层悬挑结构施工过程模拟分析研究徐鹤松 张军江苏中南建筑产业集团有限责任公司摘 要 盐城电视塔在标高114.45m高空四个方向设置悬挑13.40m观光层，观光层通过空中环行走道连接。结构施工中利用标高114.45m钢结构+空中环行走道+预应力临时拉索形成的结构体系作为上部结构施工操作平台；通过有限元数值分析，提出施工过程控制的主要参数及其控制准则，根据力学模型对施工过程进行模拟计算，评价施工过程中结构的受力性态以及安全性。关键词 悬挑 结构 施工 分析1 工程概况1.1 建筑概况盐城电视塔主塔地下2层，地上总高度195m；其中标高114.45m为观光厅，标高145m上部为天线。主塔平面呈八角形，八角形边长为3438mm，主塔标准层平面见图1.1。图1.1 主塔标准层平面图1.2 结构概况主塔采用双钢板组合剪力墙结构（简称“SPSW”），主塔筒壁厚度为300mm，筒壁内外侧钢板通过栓钉、连接钢筋及加劲板与筒壁内后浇筑混凝土形成整体结构，钢板材质为Q345B，结构抗震设防烈度为七度，结构设计使用年限为50年。主塔标高114.45m处四个方向观光厅结构自主塔筒壁外侧伸出长度为13400mm，上部各通过2根100不锈钢拉杆与主塔筒壁斜拉连接，四个方向观光厅通过空中环行走道相连接。观光厅结构立面及结构轴测图见图1.2-1图1.2-2。 图1.2-1 观光厅结构立面图 图1.2-2 观光厅结构轴测图2 观光层结构施工工艺流程观光层结构施工遵循“分单元拼装、分单元对称吊装，设置临时辅助拉索”的原则进行施工。观光层结构施工总体思路为：利用外施工平台安装标高107.167m斜支撑结构，利用标高114.45m钢结构+空中环形走道+预应力临时拉索形成的结构体系作为上部结构施工操作平台，确保施工阶段安全。观光层结构的施工工艺流程如图2所示。图2 观光层结构施工工艺流程图3 研究计算软件采用大型通用有限元软件ANSYS13.0分析计算。4 观光层结构施工阶段分析依据观光层结构施工安装顺序，仍选取四种施工状态分别建立模型进行计算分析，观光层结构的施工分析状态如表4所示。表4 观光层结构施工状态施工状态编号施工状态1观光层下层钢结构+临时拉索安装完毕2观光层结构走道钢结构安装完毕3整个观光层结构安装完毕+临时拉索未拆除+结构拉索未安装4整个观光层结构安装完毕+临时拉索拆除+结构拉索安装完毕4.1 观光层第一施工状态为保证长悬挑观光层结构的施工安全，并减少长悬挑结构的变形导致的施工误差，设置临时拉索，通过控制临时拉索的预拉力来控制悬挑端的变形，通过不断试算，最终将临时拉索的预拉力确定为50kN。（1）内力分布当观光层结构施工到第一施工状态时，观光层结构整体应力分布、混凝土主应力分布、主塔筒体钢板Mises应力和钢梁Mises应力如图4.1-1图4.1-4。 图4.1-1 观光层第一施工状态主体结构应力分布图 图4.1-2 观光层第一施工状态混凝土应力分布图 图4.1-3 观光层第一施工状态钢板应力分布图 图4.1-4 观光层第一施工状态钢梁应力分布图由应力计算结果可看出，观光层第一施工阶段完成时，混凝土结构的最大主应力为8.74MPa，主塔筒体钢板剪力墙钢板的最大应力为36.80MPa，最大应力位于钢板剪力墙根部；观光层钢梁最大应力为44.20MPa。数据结果表明：混凝土主应力较小，此时混凝土未开裂；钢板Mises应力和钢梁Mises应力均较小，此时钢板和钢梁均未屈服，结构满足安全要求。（2）变形特征当观光层结构施工到第一施工状态时，观光层结构整体总变形、X向变形、Y向变形和Z向变形和钢梁整体变形如图4.1-5图4.1-9所示。 图4.1-5 观光层第一施工状态主体结构总变形图 图4.1-6 观光层第一施工状态主体结构X向变形图 图4.1-7 观光层第一施工状态主体结构Y向变形图 图4.1-8 观光层第一施工状态主体结构Z向变形图图4.1-9 观光层第一施工状态钢梁整体变形图由变形计算结果可看出，观光层第一施工阶段完成时，结构整体变形最大值为54.727mm，水平变形最大值为54.204mm，竖向变形最大值为23.633mm；观光层钢梁最大变形值为54.312mm。数据结果表明，结构变形量较小，满足后续结构安装要求。4.2 观光层第二施工状态（1）内力分布当观光层结构施工到第二施工状态时，观光层结构整体应力分布、混凝土主应力分布、主塔筒体钢板Mises应力和钢梁Mises应力如图4.2-1图4.2-4。 图4.2-1 观光层第二施工状态主体结构应力分布图 图4.2-2 观光层第二施工状态混凝土应力分布图 图4.2-3 观光层第二施工状态钢板应力分布图 图4.2-4 观光层第二施工状态钢梁应力分布图由应力计算结果可看出，观光层第二施工阶段完成时，混凝土结构的最大主应力为8.75MPa，主塔筒体钢板剪力墙钢板的最大应力为36.90MPa，最大应力位于钢板剪力墙根部；观光层钢梁最大应力为57.30MPa。数据结果表明：混凝土主应力较小，此时混凝土未开裂；钢板Mises应力和钢梁Mises应力均较小，此时钢板和钢梁均未屈服，结构满足安全要求。（2）变形特征当观光层结构施工到第二施工状态时，观光层结构整体总变形、X向变形、Y向变形和Z向变形和钢梁整体变形如图4.2-5图4.2-9所示。 图4.2-5 观光层第二施工状态主体结构总变形图 图4.2-6 观光层第二施工状态主体结构X向变形图 图4.2-7 观光层第二施工状态主体结构Y向变形图 图4.2-8 观光层第二施工状态主体结构Z向变形图图4.2-9 观光层第二施工状态钢梁整体变形图由变形计算结果可看出，观光层第二施工阶段完成时，结构整体变形最大值为54.739mm，水平变形最大值为54.211mm，竖向变形最大值为24.760mm；观光层钢梁最大变形值为54.334mm。数据结果表明，结构变形量较小，满足后续结构安装要求。4.3 观光层第三施工状态（1）内力分布当观光层结构施工到第三施工状态时，观光层结构整体应力分布、混凝土主应力分布、主塔筒体钢板Mises应力和钢梁Mises应力如图4.3-1图4.3-4。 图4.3-1 观光层第三施工状态主体结构应力分布图 图4.3-2 观光层第三施工状态混凝土应力分布图 图4.3-3 观光层第三施工状态钢板应力分布图 图4.3-4 观光层第三施工状态钢梁应力分布图由应力计算结果可看出，观光层第三施工阶段完成时，混凝土结构的最大主应力为8.78MPa，主塔筒体钢板剪力墙钢板的最大应力为37.50MPa，最大应力位于钢板剪力墙根部；观光层钢梁最大应力为78.60MPa。数据结果表明：混凝土主应力较小，此时混凝土未开裂；钢板Mises应力和钢梁Mises应力均较小，此时钢板和钢梁均未屈服，结构满足安全要求。（2）变形特征当观光层结构施工到第三施工状态时，观光层结构整体总变形、X向变形、Y向变形和Z向变形和钢梁整体变形如图4.3-5图4.3-9所示。 图4.3-5 观光层第三施工状态主体结构总变形图 图4.3-6 观光层第三施工状态主体结构X向变形图 图4.3-7 观光层第三施工状态主体结构Y向变形图 图4.3-8 观光层第三施工状态主体结构Z向变形图图4.3-9 观光层第三施工状态钢梁整体变形图由变形计算结果可看出，观光层第三施工阶段完成时，结构整体变形最大值为65.194mm，水平变形最大值为56.691mm，竖向变形最大值为43.242mm；观光层钢梁最大变形值为65.194mm。数据结果表明，结构变形量较小，满足后续结构安装要求。4.4 观光层第四施工状态（1）内力分布当观光层结构施工到第四施工状态时，观光层结构整体应力分布、混凝土主应力分布、主塔筒体钢板Mises应力和钢梁Mises应力如图4.1-4图4.1-4。 图4.4-1 观光层第四施工状态主体结构应力分布图 图4.4-2 观光层第四施工状态混凝土应力分布图 图4.4-3 观光层第四施工状态钢板应力分布图 图4.4-4 观光层第四施工状态钢梁应力分布图由应力计算结果可看出，观光层第四施工阶段完成时，混凝土结构的最大主应力为8.78MPa，主塔筒体钢板剪力墙钢板的最大应力为37.50MPa，最大应力位于钢板剪力墙根部；观光层钢梁最大应力为47.90MPa。数据结果表明：混凝土主应力较小，此时混凝土未开裂；钢板Mises应力和钢梁Mises应力均较小，此时钢板和钢梁均未屈服，结构满足安全要求。（2）变形特征当观光层结构施工到第四施工状态时，观光层结构整体总变形、X向变形、Y向变形和Z向变形和钢梁整体变形如图4.4-5图4.4-9所示。 图4.4-5 观光层第四施工状态主体结构总变形图 图4.4-6 观光层第四施工状态主体结构X向变形图 图4.4-7 观光层第四施工状态主体结构Y向变形图 图4.4-8 观光层第四施工状态主体结构Z向变形图图4.4-9 观光层第四施工状态钢梁整体变形图由变形计算结果可看出，观光层第四施工阶段完成时，结构整体变形最大值为61.562mm，水平变形最大值为56.687mm，竖向变形最大值为37.907mm；观光层钢梁最大变形值为61.562mm。数据结果表明，结构变形量较小，满足后续结构安装要求。5 施工验算结果（1）观光层施工期间内力观光层施工期间钢板剪力墙混凝土主应力值较小，基本保持8.7MPa左右。观光层施工期间主塔筒体钢板剪力墙钢板Mises应力值不大，基本保持37.0MPa左右。观光层施工期间，钢梁Mises应力变化幅度不大，最小值为44.20MPa，最大值为78.60MPa。其中，从施工步1到施工步3（即观光层钢结构安装完毕，临时拉索未拆除，结构拉索未安装）钢梁Mises应力增加至最大值78.60MPa。当临时拉索拆除，结构拉索安装完毕后，钢梁应力减小至47.90MPa，可见结构拉索能够有效减小钢梁应力。（2）观光层施工期间变形观光层施工期间主塔筒体结构整体变形幅度较小，最小变形值为54.727mm，最大值为65.194mm。其中，从施工步1到施工步3（即观光层钢结构安装完毕，临时拉索未拆除，结构拉索未安装）主塔筒体结构整体变形增加至最大值65.194mm。当临时拉索拆除，结构拉索安装完毕后，主塔筒体结构整体变形减小至61.562mm，可见结构拉索能够有效减小主塔筒体结构整体变形。观光层施工期间主塔筒体结构水平变形幅度较小，最小变形值为54.204mm，最大值为56.691mm。其中，从施工步1到施工步3（即观光层钢结构安装完毕，临时拉索未拆除，结构拉索未安装）主塔筒体结构水平变形增加至最大值56.691mm。当临时拉索拆除，结构拉索安装完毕后，主塔筒体结构水平变形为56.687mm，可见结构拉索对控制主塔筒体结构水平变形基本无作用。观光层施工期间，主塔筒体结构竖向变形幅度不大，最小变形值为23.633mm，最大值为43.242mm。其中，从施工步1到施工步3（即观光层钢结构安装完毕，临时拉索未拆除，结构拉索未安装）主塔筒体结构竖向变形增加至最大值43.242mm。当临时拉索拆除，结构拉索安装完毕后，主塔筒体结构竖向变形减小为37.907mm，可见结构拉索对控制主塔筒体结构竖向变形能起到一定作用。观光层施工期间，钢梁变形幅度较小，最小变形值为54.194mm，最大值为65.194mm。其中，从施工步1到施工步3（即观光层钢结构安装完毕，临时拉索未拆除，结构拉索未安装）钢