350m塔楼顶部皇冠钢结构施工过程模拟分析

350m塔楼顶部皇冠钢结构施工过程模拟分析 350 m塔楼顶部皇冠钢结构施工过程模拟分析 350 m塔楼顶部皇冠钢结构施工过程模拟分析 段海1汪晓阳1张希博1柳超2彭湃1 (1.中建钢构有限公司, 沈阳; 2.中国建筑东北设计研究院, 沈阳) 摘要：通过对沈阳市府恒隆广场350 m高塔楼顶部的皇冠钢结构施工过程进行模拟分析，简要介绍了复杂钢结构施工过程模拟分析的方法、步骤、施工阶段划分的原则、条件假定、临时支撑的反力分析、加固结构的承载力分析以及后装缺口的变形控制等，通过施工阶段模拟分析的方法，来确定施工方案、优化施工顺序，确保施工方案的可行性、科学性，同时避免盲目施工所带来的结构安全和质量隐患。 关键词：施工模拟；皇冠钢结构；临时支撑；内力分析；变形控制 DOI:10.13206/j.gjg ABSTRACT：Through the simulation analysis of the construction process of steel crown structure at the top of 350-meter-high building of Hang Lung Plaza in Shenyang, this paper briefly introduced the simulation analysis of the construction process of complex steel structure in terms of the approaches, the steps,the principles of the construction stage division, the assumption of conditions, the reaction force analysis of temporary supports, the bearing capacity analysis of the reinforced structure, as well as the analysis of the deformation control of the afterloading gaps and so on.The construction scheme was identified and the construction sequence was optimized through simulation analysis of construction process, thus the feasibility and scientificity of the construction scheme was confirmed which could avoid the quality problems caused by blind construction. 收稿日期：2015 - 05 - 12 SIMULATION ANALYSIS OF THE CONSTRUCTION PROCESS OF STEEL CROWN STRUCTURE AT THE TOP OF 350 METER-HIGH BUILDING Duan Hai1Wang Xiaoyang1Zhang Xibo1Liu Chao2Peng Pai1 (1.China Construction Steel Structure Corporation, Shenyang , China; 2.Chinese Northeast Architectural Design and Research Institute, Shenyang , China) KEY WORDS：construction simulation; steel crown structure; temporary support; internal force analysis; deformation control *中建钢构课题(ZJGGKY - 2012 - 39)。 第一作者：段海，男，1982年出生，工程师。 Email: 针对复杂钢结构，在结构施工过程中，由于施工方法和施工顺序不同会对结构的内力和变形产生较大影响，因此应对结构进行施工阶段模拟分析，根据模拟分析的结果，确定合理的施工顺序及施工方法，在必要的情况下采取一定的临时施工措施，如临时支撑及临时连梁的设置，并根据支座反力进行临时支撑和临时连梁的设计。 1工程概况 沈阳市府恒隆广场项目主塔楼地下4层，地上68层，建筑总高度350.6 m，钢结构用量约6万t，建成后将成为新的东北第一高楼。屋顶皇冠位于塔楼顶部297.850 m(L67M层)至350.600 m标高处，为复杂空间结构，造型总高度为52.75 m。钢结构用量约为2 000 t。皇冠结构造型奇特，结构复杂，竖向共分10个结构层，其中西北角最高，为10层，东南角最低，为4层，西南、东北两个角高度相同，为7层。皇冠底部3层框架抱箍在核心筒上，由核心筒第67夹层(L67M)开始悬挑而出、向上倾斜延伸，最大倾斜角度达25，结构延伸至超过核心筒顶部之后，在第4层经结构转换变为内外两排框架，内外框架之间通过水平桁架、屋顶桁架和其他斜腹杆相连形成空间管桁架结构。皇冠结构平面上呈不规则“回”字型，东西两个立面为曲面，整体形状类似一个戴在350 m高塔楼顶部的皇冠(如图1所示)。 1顶部标高344.595 m; 2核心筒顶部至L69层；3屋顶皇冠造型；4L67M层；5L67层。图1屋顶皇冠结构整体概况 本工程塔楼主体钢结构主要采用安装于核心筒中部的ZSL2700塔吊和核心筒东北角的ZSL750塔吊进行安装。按照总体施工进度要求，皇冠施工阶段位于塔楼顶部的大型塔吊必须按照“装小塔，拆大塔”的原则逐级进行拆除、逐渐替换为小型塔吊，即当皇冠底部3层框架部分安装完成之后，ZSL2700塔吊拆除；随后ZSL750塔吊独立工作，直至皇冠第10层结构安装完成，然后在L69层核心筒顶部安装一台ZSL200塔吊，用于ZSL750塔吊的拆除，同时完成ZSL750影响区域后装构件的补装，补装结束后，再于皇冠结构顶部安装一台小型的屋面吊(ZSL60塔吊)，拆除ZSL200塔吊并完成自拆。 2钢结构安装方案 2.1确定安装方案的原则 受到皇冠造型以及吊装设备的限制，皇冠钢结构的安装只能采取分段吊装、散件高空拼装的方式进行。另外，塔冠部位作为整个办公楼的一个核心区域，集结了几乎整个办公楼的所有复杂系统，如幕墙系统、机电冷却塔系统、擦窗机系统、垂直交通系统、卫星通讯系统、避雷针系统、屋顶照明系统等，各系统间相互影响、交叉作业，荷载条件变化复杂。因此，如何确保施工的安全性及结构的稳定性至关重要，经过工程前期系统的分析，提出皇冠安装方案的制定必须遵循以下几项重要指导原则： 1)首先应确保施工过程的安全性以及结构的稳定性。 2)做好吊装性能分析，合理控制构件分段分节。 3)合理优化支撑系统，避免过度支撑给结构造成负担。 4)采取有效变形控制措施，预防不良变形发展。 5)调整、优化施工顺序，避免不良应力发展。 6)符合整体工期要求，尽量减少对其他专业的影响。 2.2临时支撑系统的设置 皇冠结构由核心筒第67夹层(L67M)开始悬挑而出，向上倾斜延伸，最大倾斜角度达25，L67M层内侧固定于核心筒之上，外侧整体悬空，外挑最大尺寸约7.5 m。在开始施工阶段，外侧缺少支撑约束，结构无法自成稳定体系，直到上部皇冠结构形成稳定的体系，且能够确保不会发生大变形为止。因此，在皇冠结构安装之前必须首先在L67M层下方设置临时支撑系统，该临时支撑系统的具体形式必须与计算模拟分析所得到的反力大小以及变形相适应。 2.3ZSL750塔吊影响区域缺口后装 由于ZSL750塔吊必须从皇冠结构中穿过，皇冠东侧一部分结构需在ZSL750塔吊拆除后进行后装。ZSL750后装缺口平面尺寸长约27 m,宽约7 m，缺口深度最大位置达31 m，由于皇冠为一个环形抱箍且向上、向外倾斜悬挑的结构形式，在自重作用下，整体有向外张开的趋势，缺口将导致皇冠整体的抱箍力大打折扣，尤其使缺口两侧临边的结构单元直接失去了横向约束，随着皇冠施工的进行，自重越来越大，缺口位置将可能产生无法回复的变形；因此，在皇冠施工阶段必须对缺口两侧的结构采取临时拉接措施，以防止其变形发展。 2.4皇冠安装顺序 在进行施工过程模拟分析之前,先根据方案指导原则以及现场实际情况拟定总体的安装方法及安装流程,明确安装顺序,以便进行施工阶段的划分和模型边界条件的设置。初步拟定皇冠钢结构总体安装流程如图2所示。 图2皇冠钢结构总体安装流程(初步拟定) 3施工过程模拟分析 3.1施工模拟分析的方法 本工程采用MIDAS软件对结构的施工过程进行模拟分析，分析过程采用正装分析法,即一次性建立整个模型,包括模型的所有单元、节点、边界条件以及荷载条件，再根据具体的施工顺序将整个模型划分为若干个阶段，然后再通过人为指定“生死”单元的方法将每一个阶段的单元属性按顺序逐步进行激活或者钝化，被激活的单元将具有所有属性参与结构计算，被钝化的单元将在模型中暂时消失，其中下一步被激活的单元对结构的影响是建立在上一步的内力和变形的基础上，从而实现对实际施工过程中荷载随结构逐渐累加效果的真实模拟。 3.2施工阶段划分的原则 1)以把握关键施工节点为原则，合理确定施工阶段的数量。 理论上来讲，施工阶段划分的越细，施工模拟的准确性会越高；但实际上，随着施工阶段的细分，荷载条件以及边界条件人为简化的就越多，尤其针对一些十分复杂的结构，过多的人为简化处理反而会导致模拟结果产生较大的偏差。 2)以尊重实际施工事实为原则，合理确定施工阶段划分的界限。 在确定施工阶段划分界限的时候，应尽量保证每个阶段划分的结构都能自成体系，保持一定的结构稳定性，避免划分的边界上存在明显的结构缺陷，以致局部模拟失真。但也必须尊重事实，如果上述条件不可能满足，则需考虑增加支撑或者辅助结构。 3.3施工过程模拟分析的步骤 全过程模拟分析的基本步骤如下： 1)基于设计资料，一次性建立整体结构有限元模型。 2)根据实际工程进度，依次激活相应阶段单元，定义相关材料参数、荷载及边界条件。 3)运行模拟，对比分析各个阶段结构内力以及位移等参数变化发展特点。 3.4皇冠施工阶段的具体划分及模型边界条件假定 皇冠结构底部3层抱箍于核心筒墙体之上，第4层以上完全由底部3层支撑。由于核心筒墙体刚度较大，因此假定与核心筒结构刚接。L67M层框架外端由于需设置支承系统，但支撑形式以及规模因反力大小不清楚而待定，因此在首次模拟过程中，采用单向铰支座进行模拟，共12个模拟支座。L67层楼面钢梁结构的边界条件完全按照设计图纸进行刚、铰接设定。根据本工程结构逐层施工、逐层加载的特点以及初步拟定的安装流程，将整个结构施工划分为15个施工阶段。边界条件及施工阶段划分具体如图3图4所示。 a边界条件；b铰接支座位置。图3模型边界条件假定及采用铰接支座模拟临时支撑 图4沈阳市府恒隆广场皇冠施工模拟主要步骤 4施工模拟计算的结果与分析 4.1临时支撑反力及拆除临时支撑时间分析 根据施工过程模拟分析结果显示(图5)，当完成皇冠底部3层框架安装之前，即进行至第5步的时候，模拟支座反力随施工进行稳步增长，最大反力约666 kN；当开始安装外围第二节钢柱之后，由于ZSL750塔吊影响区域后装，后装区域两侧相邻的构件约束较少，模拟支座反力开始增长迅速，当进行至第10步时，即完成皇冠第10层之后，模拟支座最大反力超过2 000 kN，且趋于稳定。 图5沈阳市府恒隆广场皇冠模拟支座最大支反力 如果对皇冠施工全过程进行支撑，则会导致支撑反力过大(达到2 000 kN)，而不得不对提供支撑反力的L67层楼面进行大量的加固，此种情况无论从工期、成本以及对后续单位造成的施工影响方面考虑都不允许。因此，需在支撑不够和过度支撑中间寻找一个平衡点，考虑到皇冠施工过程中，当底部3层框架安装焊接完成形成整体之后，自身已经可以承受一定的荷载。通过对模拟过程进行调整优化和对比分析，发现临时支撑提前拆除后位移变化很小(图6)，充分证明了此时结构已自成稳定体系。因此，决定临时支撑在底部3层框架完成(第5步)之后就立即拆除(图6)，从而大大降低了支撑的承载力要求，简化了L67层结构加固。 图6底部3层框架完成之后拆除临时支撑前后的位移对比分析mm 4.2L67层结构承载力及加固方式分析 根据初步的模拟分析结果,临时支撑拆除前最大的支撑反力约666 kN，该反力将直接传递给L67层结构。但是，由于L67层结构以及支撑结构本身会有一定变形，在初步模拟过程中采用铰支座模拟临时支撑，支反力应比实际值偏大。因此，在L67层结构承载力分析过程中，首先利用初步模拟所得支撑反力进行临时支撑的设计，然后将临时支撑结构视为主体结构的一部分，整体建模(图7)，然后进行整体分析(图8)。整体分析结果显示，临时支撑最大反力(采用胎架顶部与皇冠直接相连的构件最大单元竖向内力表示)约为259 kN，仅为模拟支撑最大反力的0.4倍。 图7加入临时支撑结构后的模型 图8沈阳市府恒隆广场皇冠临时支撑最大支反力 根据上述分析结果，L67层结构所承受的支撑反力实际并不是很大，为了尽量避免结构加固对其他专业施工造成影响，决定采用有针对性的增加胎架底部的钢梁布置的方式来完成对L67层结构的加固。经多次模拟计算和结构优化，此方法完全可以满足承载力要求(图9)。实际施工过程中，为了减小L67层结构变形对支撑胎架的影响，要求L67层混凝土楼板浇筑完成之后，再开始安装皇冠，并且要求做好过程变形监测。 图9加固后的L67层结构应力云图MPa 4.3后装缺口的变形控制分析 根据施工过程模拟分析结果显示，皇冠结构在施工阶段的最大应力集中在74.5 MPa左右，无过大应力和应力集中出现。但从应力分布来看，ZSL750缺口两侧的主要构件应力明显大于其他区域。与此同时，结构位移的变化也非常明显，当施工进行至第5步以后，后装区域两侧相邻的构件变形开始迅速增长，当进行至第10步时，即完成皇冠第10层结构安装时，东北角ZSL750塔吊缺口处结构变形达到最大，约为34 mm，变形较大，如图10所示。 图10完成第10步阶段的皇冠位移云图mm 为了有效控制ZSL750塔吊缺口处结构变形的不良发展，在施工过程中需要在后装区域两侧的钢柱之间设置临时连梁，由于缺口跨度较大，考虑到临时连梁须有足够的刚度，因此采用片式桁架形式，在第35层缺口之间每层设置一道。 5结束语 本文通过对沈阳市府恒隆广场350m塔楼顶部的皇冠结构施工进行过程模拟分析，简要总结了施工过程模拟分析的几大要点，为实际施工提出了一些切实可行的指导意见： 1)通过本工程实施过程中的监测，过程模拟分析的结果与实际基本相符。再次证明针对复杂钢结构，可以通过施工阶段模拟分析的方法，来帮助工程人员优化施工顺序及施工方法。在确保施工方案的可行性、科学性的同时，避免了盲目施工所带来的结构安全和质量隐患。 2)施工过程模拟分析是一个重复模拟、不断优化调整的过程，不是单纯的一次模拟，需要根据模拟结果不断的探索和分析。 3)施工阶段的划分需要以把握关键施工节点为原则，合理确