大悬挑根部结构施工关键构件受力分析

大悬挑根部结构施工关键构件受力分析

0施工方案一体化内蒙古伊旗国家体育中心一层平面形状为8m89m，最大尺寸为89m89m。二楼和截面悬索，最大尺寸为120m120m。在两组和三层之间，沿方向上调整大悬索框架，并在其上放置大倾角管道的相互连接框架。悬索框架和悬索框架通过外部网格相互联系，整体形成整体的多层悬索结构体系（见图1）。悬挑桁架共20榀,悬挑桁架最大悬挑长度43m。施工过程是结构逐步成形、荷载逐步累加的近似连续过程,由于变化缓慢,施工过程的结构受力一般采用“慢速时变力学”对施工连续过程采用时间离散的时间冻结法近似处理。施工模拟常采用有限元法,通过单元的“激活”、“钝化”实现逐步加载及卸载过程。把施工时间离散成几个时间点(即施工阶段或施工步骤),在每一个时间点“激活”对应的构件或荷载,按照静力方法进行计算,实现逐步加载的过程。施工安装和卸载的过程相当于对一个既有的静定结构体系逐步增加约束和荷载的过程,后续增加的约束和荷载往往在前一次加载变形结束后逐步进行(施工时不可能将所有构件同时安装完成),后续增加约束和荷载的顺序不同(即施工安装和卸载次序不同)会对施工和设计荷载作用下结构构件的内力分布、结构刚度等产生重要影响。在没有临时支撑的情况下,先安装的构件一般较早参与受力,内力和变形较大,后安装的构件参与受力晚,因而内力和变形也较小。对于多层大悬挑结构,结构的受力状态和变形状态与施工方案密切相关,且悬挑结构施工大多采用临时支撑,临时支撑的拆除过程和拆除时机对结构的受力有非常大的影响。设计人员提出结构最终工作状态而要求施工人员确定施工方案,最终很难完全满足设计要求,且有安全隐患。基于这个特点,应将施工方案纳入到多层大悬挑的结构设计中,进行一体化分析,根据施工方案对设计进行调整,同时对施工方案进行优化。本文对内蒙古伊旗全民健身体育中心的多层大悬挑结构进行施工全过程仿真,通过对结构的施工安装过程、楼板刚度形成次序及关键构件安装次序进行计算模拟,分析施工过程中及结构成形后结构构件内力的变化特点及规律,对关键构件内力峰值进行调整,确定结构的最佳安装方案。1施工临时支撑及与主体结构连接内蒙古伊旗全民健身体育中心工程实际施工安装全过程分为4个阶段,每阶段又分为若干步骤(见图2)。第1阶段为安装地下结构、中间楼层看台结构,钢框架-支撑结构;第2阶段为安装主桁架及临时支撑;第3阶段为屋面桁架安装、外斜交网格结构安装、拆除临时支撑及楼板浇筑;第4阶段为张拉索穹顶,建筑内部装修阶段。每榀悬挑桁架均设置施工临时支撑,支承在悬挑桁架适当部位(见图3)。为精准模拟施工全过程结构力学性能,将临时支撑建入计算模型中(见图2b、2c),并对临时支撑与主体结构连接处采用只压不拉连接单元进行模拟。实际工程中在临时支撑与结构之间安装沙箱,通过沙箱中沙子的减少实现卸载过程。经分析得出,临时支撑的卸载分4步完成,采用同步等比卸载方式拆除临时支撑,桁架STR-1、STR-2、STR-3(包括与其对称的部位)每步的卸载量分别为6.5mm、8mm和12mm。2几何型钢结构的安装多层大悬挑结构体系的施工安装与支撑卸载过程直接影响结构体系的最终力学响应与安全性能。结构安装与卸载次序对结构力学响应产生影响的关键因素有三部分:(1)支撑卸载前的几何构型,主要构件安装次序、后装杆件的分布及数量;(2)支撑卸载前楼板的浇筑状况,这关系到卸载前结构的刚度与所承受的荷载;(3)临时支撑的卸载步骤。上述关键因素的优化组合以施工措施安全可行同时对结构安全有利为原则。本文采用有限元分析软件Midas/Gen对本工程进行分析。依据工程实际施工安装全过程,全过程仿真分析计算可划分为10个施工步(见表1),考虑该结构的对称性,取桁架STR-1、STR-2、STR-3进行分析,关键杆件位置见图4。2.1设计荷载作用下临时支撑的影响对于多层大悬挑钢结构,支撑安装的过程实际上是边界约束条件的不断变化并引起结构内力重分布的过程。通过有支撑方案、无支撑方案与不考虑施工过程的方案进行分析,确定施工安装过程对结构性能及安全的影响。为验证施工安装过程对结构力学性能的影响,采用如下方案进行分析:方案一,无临时支撑分步加载;方案二,有临时支撑分步加载;方案三,一次加载成形(一般设计采用的方法)。设计荷载作用下三种分析方案中桁架STR-3端部竖向位移有很大差异,方案一为249.2mm,方案二为161.8mm,方案三为152.2mm。方案三(一次加载)的桁架STR-3端部竖向位移最小,方案一的位移较方案三增大63%,可见为了满足结构变形的要求,无临时支撑的方案是不合理的。方案二的位移较方案三增大9.6mm,因此即使采用临时支撑,结构变形也大于设计的结构位移。比较方案一和方案二分析结果可知,多层大悬挑结构加设临时支撑是施工变形安全控制重要措施。图5给出了关键杆件在设计荷载作用下的内力。由图5结构在设计荷载下关键杆件的轴力与弯矩分析可知,从方案一到方案三,轴力与弯矩均呈减小趋势。对于关键杆件21016,方案一比方案三轴力增大了14.7%,方案二的比方案三轴力增大了3.8%。可见对于多层大悬挑结构施工加设临时支撑可有效降低结构最终受力,但采用结构一次成形、一次加载的常规计算方法计算的关键构件的内力偏小。进一步分析表明,在施工中设置临时支撑能够减小结构的的竖向位移、楼板内力以及杆件内力。加设临时支撑是施工过程安全及结构使用过程安全的必要保证。按照常规结构设计采用的一次加载设计方法对多层大悬挑结构设计偏于不安全。2.2上弦处楼板抗拉刚度桁架上、下弦处楼板在竖向荷载作用下分别受拉和受压。悬挑桁架下弦处楼板抗压刚度很大,与下弦桁架杆件的抗压刚度相当,但上弦处楼板抗拉刚度很小,不合理的楼板浇筑顺序可能造成上弦处楼板在使用过程中被拉裂。而楼板刚度对主体结构力学性能会产生很大影响。通过改变二层(下弦处)、三层(上弦处)楼板刚度形成的次序及钢结构临时支撑的卸载步骤之间的关系,使桁架的内力趋于合理,从而确定楼板的最佳浇筑时机,减少上弦处楼板的拉力。2.2.1结构变形性能控制在三层(上弦处)楼板未浇筑的前提下,研究二层(下弦处)楼板浇筑与临时支撑卸载步骤的关系,对如下方案进行对比分析。方案1:临时支撑卸载前浇筑二层楼板对比各个方案中完全卸载时悬挑桁架(图4)杆件的内力与桁架STR-3端部的竖向位移,主要结果如图6~7及表2所示,可以看出:(1)在施工过程中,桁架STR-3端部的竖向位移逐渐增加。在完全卸载阶段,方案1的竖向位移最小,方案1~5的竖向位移比为1∶1.20∶1.20∶1.22∶2.16∶2.17。从结构变形性能控制方面考虑,方案1最优。(2)从方案1到方案5,关键杆件的轴力与弯矩均呈现增加趋势,且在方案4与方案5中出现了杆件轴力与弯矩大幅增加的现象。轴力最大杆件22016,前三个方案轴力相差很小,方案4与方案5的轴力比前3个方案约增加了80%。从结构构件弹性承载力安全性设计方面考虑,方案1最优。(3)二层楼板以受压为主。从方案1到方案5,二层楼板压力依次减小,且均处于楼板受压承载力范围内。以上分析可知,二层楼板的刚度形成时机对结构的竖向位移、杆件内力、楼板自身内力产生很大的影响。二层楼板提前浇筑能使其尽早进入受力状态,从而有效减小结构的竖向位移、杆件内力。2.2.2不同方案火炬树的竖向变形二层楼板以受压为主,从以上分析可知,二层楼板宜在卸载前浇筑。三层楼板位于为悬挑桁架的上弦处,在竖向荷载作用下受拉,因此选择三层楼板浇筑时机以减小三层楼板的最大拉力为主要目标。在支撑卸载前浇筑二层楼板的前提下,对三层楼板的浇筑时机选如下方案进行分析。方案6:临时支撑卸载前浇筑三层楼板对比各个方案设计荷载作用下构件的内力及楼板的内力,结果见表3及图8,不同方案各施工全过程桁架STR-3端部竖向位移如图9所示。分析表3、图8~9可知:(1)在设计荷载作用下,随着三层板浇筑时机的推迟,三层板的拉力减小。三层楼板浇筑方案6~10的拉力比为1.60∶1.48∶1.39∶1.27∶1。可见方案10对减小三层楼板拉力最有利。(2)设计荷载作用下二层楼板以受压为主,各个方案均处于楼板受压承载力范围内。随着三层楼板安装时机的推迟,二层楼板的内力有小幅度减小。(3)在设计荷载作用下桁架STR-3端部竖向位移达到最大。各个方案的竖向位移曲线相差很小,在设计荷载作用下相差仅5mm。说明楼板三层浇筑时机对结构的竖向变形影响很小。(4)从图8可以看出,在设计荷载作用下,方案6~10关键杆件的轴力与弯矩变化不大。各杆件轴力基本保持不变,弯矩最大的杆件23010弯矩有小幅度增加,方案10比方案6增加了2.4%。说明三层楼板浇筑推迟对结构关键杆件的轴力及弯矩影响不大。总之,三层楼板浇筑时机对于竖向位移及关键杆件内力影响很小,但较早浇筑会大幅度增加自身楼板的拉力。故三层楼板过早进入工作状态对于整体结构是不利的,宜在临时支撑完全卸载后浇筑。2.3杆件后装方案对比由大悬挑桁架的分析结果可知,大悬挑根部杆件的应力很大,是比较危险的关键部位,在设计过程中,一般采用加大构件截面的常规设计方法。但加大构件截面致使杆件的刚度增加,该部位会产生更大的应力集中,通常很难有效减少结构内力。因此可通过调整某些关键杆件的安装与临时支撑卸载的顺序,通过滞后关键构件(应力较大的位置)的安装,达到内力分布均匀及应力优化的目的。本文通过施工全过程仿真分析选择合理的关键杆件安装步骤,优化结构关键部位的最终受力状态和安全性能。桁架STR-1的杆件23010处弯矩很大,屋面桁架杆件50021的轴力及弯矩较大,应力集中,难以满足承载力设计要求。为缓解杆件23010和50021的受力状态,将杆件23013和50021作为后装杆件(杆件位置见图4)。不同安装方案的主要计算结果如图10、11及表4所示。分析计算结果可以看出:(1)由表4和图11可知,杆件的后装对桁架STR-3端部竖向位移影响不大,最大竖向位移出现在设计荷载作用下。随着后装杆件安装时机的推迟,竖向位移也逐步增大。在U0+D0的情况下,桁架STR-3端部竖向位移最小,为167mm;在U3+D3的情况下竖向位移最大,为177mm。说明杆件后装会引起桁架端竖向位移增大,但仍能满足规范要求。(2)由表4和图11可知,杆件的后装对杆件23010和50021的内力影响很大。随着下部杆件23013安装时机的推迟,在设计荷载作用下,杆件21016内力略有增加,但增长幅度均较小;关键杆件23010轴力与弯矩均减小,轴力最终降幅为18.9%,弯矩降幅为18.5%。故杆件23013在完全卸载后安装能在其他关键杆件内力增幅不大的情况下有效减小杆件23010轴力与弯矩。(3)由表4可知,若杆件23013在支撑完全卸载后安装,随着上部杆件50021安装时机的推迟,杆件23010的内力有小幅的增长。杆件50021轴力最终减小22.1%,其中杆件50021支撑第一步卸载后安装自身轴力减幅可达10.7%。为了使杆件50021应力及稳定性满足设计要求,选择杆件50021在支撑第一步卸载后安装为最终方案。(4)表4给出了一次加载(常规设计方法)的部分杆件的内力。对于杆件23010,方案U0+D0(未考虑杆件后装)比一次加载的弯矩增大4.3%,方案U1+D3(考虑杆件后装)比一次加载减少了15.3%。对于杆件50021,方案U0+D0(未考虑杆件后装)比一次加载的弯矩增大3.6%,方案U1+D3(考虑杆件后装)比一次加载减少了4.5%。U1+D3的桁架STR-3端部位移比一次加载的位移增大了23.9mm,仍能满足于设计要求。从以上分析可知采用最终方案U1+D3(杆件50021在支撑第一步卸载时安装,杆件23013在支撑第三步卸载时安装)作为施工方案,可实现减小关键杆件内力的目的,同时这些杆件附近杆件的内力及结构竖向位移变化幅度很小,处于安全的范围之内。3实测位移对比分析目前,本工程主体结构施工已经完成,在施工过程中对临时支撑卸载及三层楼板浇筑过程中关键杆件的应变进行监测,对施工-卸载全过程进行位移监测。其中杆件应变的监测通过在杆件截面上下两端贴应变片来实现,采用全站仪对施工过程各个阶段的位移进行测量。本文挑选了两榀桁架下弦后装杆件下翼缘的应变以及桁架STR-2、STR-3端部的位移和仿真分析值进行比较,结果如图12及表5所示。从图12可以看出,位移以及杆件应变的实测值和仿真分析值吻合的较好,这说明仿真分析过程是合理的。同时仿真分析值略大于实测值,产生此现象的原因是对于实际结构,变形是一个缓慢发展的过程,测量完成后结构变形仍会有所发展,但误差在容许范围之内。可见施工仿真分析可对施工过程进行较为准确的预测。4次建模一次加载法对多层大悬挑钢结构的施工仿真分析本文分析了内蒙古伊旗全民健身体育中心主体结构在施工和使用状态下悬挑桁架及其上下弦处楼板的内力和桁架STR-3端部的竖向位移,进行了各种方案的对比,提出了最优的施工安装方案,并得出以下结论:(1)采用不同的施工方