施工措施安全计算.doc

广西南宁市华润中心东写字楼总承包工程 技术标第二十章 施工措施安全计算第一节 主塔结构施工仿真分析1.工程概况南京华润商业中心大厦主塔结构高度为413m，整体结构为内核心筒加外框架柱梁板结构。其中外框架柱为钢管混凝土，南向的钢管柱随主塔楼的施工高度增加向内以2度角倾斜至结构73层，柱子向内倾斜深度为10.4m。到70层东西方向柱子向内倾斜至结构层高位置。核心筒是随着施工楼层增加而渐变收缩。1层到49层为九小筒,50到73层为6小筒。74到90层为1筒如图所示。核心筒为钢骨剪力墙结构。梁主要为钢梁，板为现浇混凝土板，塔顶高度为22.05m外桁架钢结构。主塔核心渐变图1 到49层50到73层74到90层2.主塔结构仿真分析由于主塔楼结构高度为413m，属于高度超限结构，有必要对结构在整体力作用下和施工过程中进行主体结构的仿真分析。本主塔采用ANSYS分析软件进行结构分析。墙板单元采用SHELL98结构壳单元，考虑结构板平面外的刚度，梁柱采用beam189三维梁单元如下图。共计102655个单元，315259个节点满足主塔结构整体分析和施工分析的精度。主塔楼有限元模型2.1.整体仿真分析主塔结构变形经ANSYS有限元分析计算，主塔最大结构变形为277mm,其整体变形如下：整体变形主塔沿着X方向的变形位移分布图 主塔沿着Y方向的变形位移分布图主塔沿着Z方向的变形位移分布图主塔沿着X方向的主应力分布图主塔沿着Y方向的主应力分布图主塔沿着Z方向的主应力分布图ANSYS计算主塔结构整体沿着X方向最大受压变形位移21.23mm,受拉变形11.5mm。最大主应力214N/mm2沿着Y方向最大受压变形位移76mm,受拉变形位移 29mm。最大主应力78 N/mm2 ,沿着竖向Z向最大受压变形位移277mm。最大主应力为279 N/mm2 。从计算得出主塔受竖向Z荷载在应力和应变为最大。2.2.核心筒主要构件变形分析核心筒外墙截面尺寸变化分为：1500mm 、1400mm、1200mm、1000mm、900mm、800mm、700 mm、600mm和500mm，核心筒内墙500mm和400mm。随着楼层增高，核心筒外筒截面变形分布和内筒截面的应变分析如下：（1）核心筒外墙主应力核心筒外墙图截面宽度（mm）最大竖向变形 (mm)150020.16140035.03核心筒外墙图截面宽度（mm）最大竖向变形 (mm)100078.73900102.34800115.60核心筒外墙图截面宽度（mm）最大竖向变形 (mm)700122.56600131.19500131.76（2）核心筒内剪力墙变形核心筒内墙截面宽度（mm）最大竖向变形位移（mm）50046.54400123.90从核心筒剪力墙内外墙的竖向位移分布中知，结构施工越高竖向累积变形就越大，对结构的施工质量要求就越高。外筒最大竖向变形为131.76mm，内筒墙最大竖向变形为123.90mm。相差7.8mm。（3）钢管混凝土柱以及钢管柱变形分析柱分为钢管混凝土和钢管柱，其中钢管混凝土柱和钢管柱又分为直柱子和斜柱。各层竖向变形如下：柱截面mm竖向变形mm（直柱）200044.76（直柱）180067.32（直柱）160087.78柱截面mm竖向变形mm（直柱）1400105.32（直柱）1200117.96（钢管柱）500*800*35133.44柱截面mm竖向变形mm（斜柱）200041.81（斜柱）180065.12（斜柱）160091.03柱截面mm竖向变形mm（斜柱）1400103.81（斜柱）1200113.46经ANSYS分析所知，直柱最大竖向变形为133.44mm，斜柱最大竖向变形位移为113.46mm。直柱和斜柱子竖向变形相差19.98mm。核心筒外墙最大变形131.76mm，内筒最大竖向变形位移123.9mm。所以剪力墙外墙竖向变形与直柱最大相差1.68mm，与斜柱最大竖向位移变形相差10.44mm。2.3.主塔结构局部应力应变分析根据主塔楼结构特征，在结构的薄弱层，转化层以及刚度和截面突变处需要进行分析计算其结构应力和应变。本模型考虑核心筒截面渐变位置10层、49层、转化层73层和顶部核心截面突变处75层，进行静力工况分析。（1）在核心筒10层，竖向的应力应变分布如下图主塔10层应变分布云图主塔10层应力分布云图（2）在核心筒49层，竖向的应力应变分布如下图主塔49层应变分布云图主塔49层应力分布云图（3）在核心筒73层，竖向的应力应变分布如下图主塔73层核心筒变化应变图主塔73层核心筒变化应力图（4）主塔转化层75层沿着竖向的应力应变分布图如下图主塔转化层75层竖向应变分布图主塔转化层75层竖向应力分布图3.主塔施工过程模拟分析3.1 .核心筒施工进度与外框架分层最不利仿真验算分析根据施工组织进度计划，核心筒施工高度比外框架柱子高6层，外框架柱子比楼板高3层，外框架楼板比核心筒内楼板低3层。依据施工进度计划施工方案进行主塔楼数值仿真分析。验算施工过程中的变形和受力分析。按照招标进度施工计划和主塔结构的主塔结构的类型将主塔分为17步逐步加载分析。分别考虑了主塔核心筒结构渐变层，结构转化层，外框架柱截面变换层等。具体如下表：主塔楼结构仿真分步数据表施工步相对施工楼层核心筒标高（m）外框架柱标高核心筒板标高基准外板相对标高（m）施工步1341.90028.000.0010.050施工步2758.7046.1016.0033.500施工步31488.475.550.3062.9施工步427147.9134.4109.20121.28施工步532173.1160.5134.40147.9施工步640208.9194.6168.90181.5施工步749247.6234.1208.90221.5施工步850250.9238.3213.10225.7施工步962305.6293.0267.80280.4施工步1069344.7324.1297.20309.8施工步相对施工楼层核心筒标高（m）外框架柱标高核心筒板标高基准外板相对标高（m）施工步1170348.30329.6301.40314.5施工步1272359.1348.3314.50329.6施工步1373362.7351.9319.10339.2施工步1474366.3355.5324.1344.7施工步1575369.9359.1329.60348.3施工步1680387.9377.1355.50366.3施工步1783398.7387.9366.30377.13.2.主塔楼施工分步分析拟采用ANSYS进行施工阶段模拟分析，计算模型为一整体模型，按照施工步骤进行分析。计算过程采用考虑时间依从效果（累加模型）的方式进行分析，得到每一阶段完成状态下的结构内力和变形，在下一阶段程序会根据新的变形对模型进行调整，从而可以真实地模拟施工的动态过程。本结构模型按施工过程分析时，采用不同工况进行组合分析，考虑结构自重荷载、施工荷载和风荷载不同组合，所采用的8种工况组合如下表：不同工况荷载组合表工况荷载组合1G（自重）2G+施工活荷载G*0.43G+施工活荷载G*0.54G+施工活荷载G*0.65G+施工活荷载G*0.4+侧向风荷载G*0.26G+施工活荷载G*0.5+侧向风荷载G*0.27G+施工活荷载G*0.6+侧向风荷载G*0.28G+侧向风荷载G*0.2按8种不同工况ANSYS计算分析，选择每个施工步骤中最不利受力变形仿真模型分析。（1）第一步施工仿真分析：当施工第1步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工至相对楼层3层时，在Y向剪力墙和柱最大压应力为1.18Mpa，外框架板最大拉应力为3.72Mpa，Z向最大压缩应力11.2Mpa。变形结果，在Y向局部柱子最大变形6.12mm，Z竖向外框架板局部最大变形3.65mm，整体竖向压缩7.05mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（2）第二步施工仿真分析：当施工第2步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层27层时，应力分析，在Z向剪力墙和柱压应力为2.35Mpa，在X外框架局部板最大拉应力为6.47Mpa。Z向最大压缩应力13.71Mpa。在Y向局部板最大变形6.12mm。Z竖向外框架板局部最大变形7.06mm，整体竖向压缩26.1mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（3）第三步施工仿真分析：当施工第3步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层14，应力分析，在Y外框架局部板最大拉应力为10.65 Mpa。Z向最大压缩应力41.72 Mpa。X竖向外框架板局部最大变形3.16mm，整体竖向压缩109.93 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（4）第四步施工仿真分析：施工第4步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层14，应力分析，在Y外框架局部板最大拉应力为10.47 Mpa。Z向最大压缩应力50.20 Mpa，整体竖向压缩113.17 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（5）第五步施工仿真分析：施工第5步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层32，应力分析，Z向最大压缩应力54.48 Mpa，整体竖向压缩114.66 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（6）第六步施工仿真分析：施工第6步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层40，Z向最大压缩应力59.10 Mpa，整体竖向压缩116.46 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（7）第七步施工仿真分析：施工第7步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层49，Z向最大压缩应力65.56 Mpa，整体竖向压缩118.28 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（8）第八步施工仿真分析：施工第8步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼50，Z向最大压缩应力66.17 Mpa，整体竖向压缩125.86 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（9）第九步施工仿真分析：施工第9步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层62，Z向最大压缩应力105.74 Mpa，整体竖向压缩147.667mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（10）第十步施工仿真分析：施工第10步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼69，Z向最大压缩应力105.74 Mpa。整体竖向压缩158.28mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)（11）第十一步施工仿真分析：施工第11步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼70，Z向最大压缩应力159.56 Mpa。整体竖向压缩159.74 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（12）第十二步施工仿真分析：施工第12步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼72，Z向最大压缩应力175.03 Mpa。整体竖向压缩163.4 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（13）第十三步施工仿真分析：施工第13步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层73，Z向最大压缩应力189.45 Mpa。整体竖向压缩166.63 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（14）第十四步施工仿真分析：施工第14步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层74，Z向最大压缩应力194.64 Mpa。整体竖向压缩174.47 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（15）第十五步施工仿真分析：施工第15步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层75，Z向最大压缩应力199.95 Mpa。整体竖向压缩176.85 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（16）第十六步施工仿真分析：施工第16步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层80，向最大压缩应力226.26 Mpa。整体竖向压缩187.71 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)（17）第十七步施工仿真分析：施工第17步时，施工结构在X，Y和Z向最不利应力和应变分布图如下，由计算得知：在施工相对楼层83，向最大压缩应力241.47 Mpa。整体竖向压缩193.53 mm。Z向变形（mm）沿Z应力分布(N/mm2)Y向变形（mm）沿Y应力分布(N/mm2)X向变形（mm）沿X应力分布(N/mm2)第二节 塔吊支撑梁设计计算1.ZSL260塔吊剪力墙预埋件受力情况ZSL260塔吊剪力墙各预埋件与附墙结构对应编号见图所示。剪力墙各预埋件与附墙结构对应编号2.ZSL260塔吊剪力墙预埋件各工况受力情况2.1.塔吊剪力墙预埋件受拉时最不利工况结构的应力和变形如图所示。根据计算结果可知，在最不利工况下，预埋件整体位移约1mm；耳板最大应力约为272.75MPa；底板最大应力约为47.44MPa。应变分布应力分布图预埋件X向应变分布应力分布图预埋件Y向Z向X向应变分布应力分布图预埋件Y向Z向X向应变分布应力分布图预埋件Y向Z向2.2.塔吊剪力墙预埋件受压时最不利工况结构的应力和变形如图所示。根据计算结果可知，在最不利工况下，预埋件整体位移约1mm；耳板最大应力约为272.75MPa；底板最大应力约为47.42MPa。应变分布应力分布图预埋件X向Y向Z向应变分布应力分布图预埋件X向Y向Z向应变分布应力分布图预埋件X向Y向Z向2.3.预埋件设计图预埋件设计图如下图所示：预埋件设计几何图形2.4.核心筒墙体与塔吊的验算核心筒剪力墙与塔吊简化模型随着施工的进展，核心筒剪力墙的厚度逐渐收缩，墙体厚度到70层时为400mm，同时高度在300m以上的主体结构剪力墙所受荷载比较复杂，施工塔吊支架固定在较薄的剪力墙上，其对施工剪力墙的影响较大，因此对其进行相应的验算是必要的。为了简化模型，采用如上图核心筒剪力墙与塔吊简化模型，混凝土采用C30（实际施工为C60）混凝土，建立连接剪力墙的塔吊支撑梁。通过对塔吊的选型和施工进度中塔吊的壁长和吊重量。采用统计分析最不利支架力对剪力墙的作用荷载分析。墙体最大变形2.48mm,最大局部应力为38.63 MPa。结果如下：应变应力墙轴向X向Y向应变应力墙轴向X向Y向Z向第三节 塔吊仿真分析1.塔吊概述塔吊的布置方案详见第六章。1#塔吊拟选用M440D，2#、3#塔吊拟选用M760DX，本节对1#、2#、3#塔吊各种型号的支撑架进行了验算。在施工前期，2#、3#塔吊需坐落在地面上，为此，需进行2#、3#塔吊的基础验算。2.1#塔吊支撑架及基础验算支撑架验算模型如下表：平面图局部三维图整体三维图1#塔吊M440D支撑架截面如下表：构件编号截面材质GL1H7004003035Q345BGL2H4503002025Q345BGL3H7004503540Q345BXC1HW 3503501219Q345BXC2P450x16Q345BCLHW 2002008 12Q345B2.1.计算工况及荷载组合（1）计算工况下表为法福克公司提供的M440D塔吊在工作状态和非工作状态下的反力，可知I/S1的H2、V及0/S4的H1工况可以包络其他工况，则将这两种工况组合进行验算即可。计算工况工况I/S1I/S2O/S3O/S4风速(m/s)2020042H1(T)59412281H2(T)51342247V(T)2131871871871/S1=dynamic loading + wind from rear1/S2=boom at minimum radius, no load on hook + wind from frontO/S3=boom parked at weathervaning radius, no wind O/S4=wind from rear另外塔吊处于“工作状态”时，塔臂的方位不同，弯矩M 的方向也随之不同，进而引起支承架4 处荷载作用点的非均匀受力；因此确定如下5种计算工况：加载模型塔吊臂方位图塔臂与主梁的夹角为0塔臂与主梁的夹角为45塔臂与主梁的夹角为90塔臂与主梁的夹角为135塔臂与主梁的夹角为180（2）荷载组合支撑架的计算，取支撑架自重为恒载（DL），塔吊荷载为活载（LL），塔吊工作状态下，考虑动力荷载效应系数1.2。在计算验算正常使用极限状态时，取1.0DL+1.0LL；在验算承载能力极限状态时，取1.2DL+1.4LL和1.35DL+0.98LL的包络。（3）边界条件支撑架附着在建立墙上通过铰接模拟（如：Midas 有限元模型所示）。2.2.验算结果本次分析通过建立支撑架整体模型，计算最不利工况下支撑架的荷载响应。具体结果如下表：支撑架验算结果x向最大位移（最大为5.8mm）y向最大位移（最大为12.4mm）z向最大位移（最大为4.76mm）位移矢量和（最大为14.40mm）组合应力（最大为297.91MPa）设计应力比（最大为0.81）根据计算结果可知，支撑架最大x向位移为5.80mm，支撑架最大y向位移为12.4mm，支撑架最大z向位移为4.76mm，支撑架最不利应力组合值为297.91N/mm2，支撑架最大应力比为0.811，均满足要求，安全储备足够。以下是构件的详细验算结果：GL1验算结果如下：GL2验算结果如下：GL3验算结果如下：XC1验算结果如下：XC2验算结果如下：CL验算结果如下：3.2#塔吊M760D验算3.1.支撑架验算（1）验算模型支撑验算模型如下所示。平面图局部三维图整体三维图M760D支撑架截面表构件编号截面材质GL1H6003503035Q345BGL2H4003002025Q345BXC1P203x12Q345BXC2P351x16Q345B（2）计算工况下表为法福克公司提供的M760D塔吊在工作状态和非工作状态下的反力，可知I/S1工况可以包络其他工况，则单独验算I/S1工况即可。计算工况工况I/S1I/S2O/S3O/S4风速(m/s)2020042H1(T)6151336H2(T)55453311V(T)2732432432431/S1=dynamic loading + wind from rear1/S2=boom at minimum radius, no load on hook + wind from frontO/S3=boom parked at weathervaning radius, no windO/S4=wind from rear另外，当塔吊处于“工作状态”时，塔臂的方位不同，弯矩M 的方向也随之不同，进而引起支承架4 处荷载作用点的非均匀受力，因此确定如下5种计算工况：加载模型塔吊臂方位图塔臂与主梁的夹角为0塔臂与主梁的夹角为45塔臂与主梁的夹角为90塔臂与主梁的夹角为135塔臂与主梁的夹角为180（3）荷载组合支撑架的计算，取支撑架自重为恒载（DL），塔吊荷载为活载（LL），塔吊工作状态下，考虑动力荷载效应系数1.2。在计算验算正常使用极限状态时，取1.0DL+1.0LL；在验算承载能力极限状态时，取1.2DL+1.4LL和1.35DL+0.98LL的包络。（4）边界条件支撑架附着在建立墙上通过铰接模拟（如：Midas 有限元模型所示）。3.2.验算结果本次分析通过建立支撑架整体模型，计算最不利工况下支撑架的荷载响应，具体结果如下。支撑架验算结果x向最大位移（最大为0.05mm）y向最大位移（最大为0.67mm）z向最大位移（最大为-0.10mm）位移矢量和（最大为0.67mm）组合应力（最大为274.44MPa）设计应力比（最大为0.77）根据计算结果可知，支撑架最大x向位移为-0.05mm，支撑架最大y向位移为0.67mm，支撑架最大z向位移为-0.10mm，最大变形矢量和为0.67mm，支撑架最不利应力组合值为274.44N/mm2，支撑架最大应力比为0.771，均满足要求，安全储备足够。以下是详细构件的验算结果：GL1验算结果如下：GL2验算结果如下：XC1验算结果如下：XC2验算结果如下：3.3.基础验算（1）基础详图塔吊基础如下图所示：基础平面图基础1-1剖面图（2）塔吊底部荷载根据M760D塔吊底部反力资料，选取下图所圈荷载工况作为本次基础设计的荷载取值。M760D塔吊底部反力（3）验算过程拟采用世纪旗云工具箱中“多柱基础”计算模块对本基础进行验算，具体过程如下表：4.3#M760D支撑架验算4.1.验算模型支撑架验算模型如下。验算模型平面图局部三维图整体三维图3#M900D支撑架截面表构件编号截面材质GL1H8004503035Q345BGL2H5003502025Q345BGL