【文章內(nèi)容簡介】 3）施工過程仿真分析基于有限元軟件MIDAS/Gen，對懸挑區(qū)鋼結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行仿真分析。仿真分析階段要仔細(xì)考慮結(jié)構(gòu)自重及施工荷載的影響。每一個施工步驟結(jié)束后，用有限元軟件分析計算結(jié)構(gòu)的位移、支撐點應(yīng)力比。期間對懸挑區(qū)域臨時支撐卸除進(jìn)行模擬仿真。商業(yè)懸挑區(qū)域共采用18個臨時支撐，其中3個支撐位于L04層，2個支撐位于L05層，剩余13個支撐均位于L03層頂以下。大跨梁下支撐點在L04安裝完后即可拆除。其余支撐在主體結(jié)構(gòu)全部完工并形成穩(wěn)定體系后，開始卸除。（4）理論模擬值與實測值對比分析工程采用振弦式應(yīng)變儀對指定監(jiān)測點的應(yīng)力進(jìn)行實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析比對。找到實測值與仿真分析理論值之間的偏差，分析產(chǎn)生偏差的原因。2 北辰三角洲A1地塊懸挑結(jié)構(gòu)施工仿真本章節(jié)是以長沙北辰三角洲A1地塊項目懸挑區(qū)鋼結(jié)構(gòu)施工為例，采用MIDAS/Gen軟件對其鋼結(jié)構(gòu)施工全過程進(jìn)行仿真分析，為工程施工方案的制定以及實時監(jiān)測提供可靠依據(jù)。 工程概況北辰三角洲位于湖南省長沙市開福區(qū)，西臨湘江，北依瀏陽河，東靠芙蓉北路，南抵319國道城區(qū)段。北辰三角洲的西北區(qū)（命名A1地塊）包括酒店、商業(yè)、寫字樓等綜合公共建筑共計32萬m2。其中商業(yè)部分區(qū)段為6層，局部9層。采用多跨鋼結(jié)構(gòu)，平面呈小鳥形狀，輪廓尺寸約為240m170m。 北辰三角洲A1地塊懸挑區(qū)域圖，北辰三角洲A1地塊的商業(yè)區(qū)一層到四層設(shè)有“V”造型鋼柱，上部鋼結(jié)構(gòu)靠“V”造型柱進(jìn)行支撐，形成部分懸挑結(jié)構(gòu)。懸挑區(qū)域結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、施工面積大、工程整體工作量大、單體構(gòu)件較重、空間定位困難，施工難度很大。需要設(shè)定合理的技術(shù)方法以保證工程的安全、合格?，F(xiàn)將北辰三角洲A1地塊懸挑區(qū)域施工控制技術(shù)路線敘述如下：首先，依據(jù)設(shè)計圖紙和相關(guān)規(guī)范確定施工控制的總體控制目標(biāo)?？傮w控制目標(biāo)是保證建筑功能正常發(fā)揮。其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和施工方案確定結(jié)構(gòu)施工過程的不同階段，不同施工階段的劃分必須保證結(jié)構(gòu)施工過程的分析進(jìn)度，然后適當(dāng)控制階段數(shù)量，減少結(jié)構(gòu)施工工程分析的工作量。第三，運用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析手段，對結(jié)構(gòu)體系的施工全過程進(jìn)行分析，全面了解結(jié)構(gòu)施工過程中幾何（線形）、應(yīng)力、穩(wěn)定性和安全性的演化規(guī)律。第四，在施工過程分析成果的基礎(chǔ)上，初步確定施工控制的階段控制目標(biāo)，作為施工控制可操作性的依據(jù)。第五，施工過程中對結(jié)構(gòu)狀態(tài)（幾何形態(tài)、內(nèi)力等）進(jìn)行實時監(jiān)測，并按照不同階段的控制目標(biāo)進(jìn)行對比。第六，根據(jù)階段控制目標(biāo)，通過預(yù)變形，預(yù)起拱等技術(shù)對施工過程中結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)、內(nèi)力與穩(wěn)定等進(jìn)行控制。第七，根據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果了解實際狀態(tài)與階段控制目標(biāo)的差異，進(jìn)而修正施工流程、施工方法和計算模型。第八，從結(jié)構(gòu)已完成的狀態(tài)開始，重新推演結(jié)構(gòu)變形過程，確定下一階段的控制目標(biāo)，采取合適的技術(shù)進(jìn)行施工控制，如此循環(huán)直至施工結(jié)束。 工程施工方案中的關(guān)鍵技術(shù)懸挑區(qū)域的鋼柱最重達(dá)44t，超重鋼柱運輸?shù)跹b困難。懸挑區(qū)域同時存在部分超重鋼梁截面尺寸大，安裝困難。此部分區(qū)域的鋼柱、鋼梁撓度控制要求高。施工階段對較重鋼柱、鋼梁采取分段運輸至施工現(xiàn)場，再在施工現(xiàn)場進(jìn)行拼接后整體吊裝。既可以減低高空拼接的難度，又可以保證安裝精度。在進(jìn)行大跨梁安裝時，應(yīng)合理布置臨時支撐點，以保證整個施工過程的安全。較重鋼柱同樣采用分段運輸至現(xiàn)場拼接后整體吊裝，斜柱接口處設(shè)置圓管標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支撐。在施工中使用支撐，可以有效地提高結(jié)構(gòu)體系在成型之前的受力性能；降低大跨梁、大懸挑結(jié)構(gòu)的撓度，便于施工階段的安裝。但臨時支撐的拆除是一個結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的過程，施工中應(yīng)采取必要的方法、手段以保證臨時支撐卸除階段結(jié)構(gòu)整體的安全性。采用計算機(jī)仿真分析整個懸挑區(qū)的安裝過程，包括位移分析、支撐及卸除過程分析。通過設(shè)置監(jiān)測點對整個安裝過程進(jìn)行跟蹤測量（包括位移及內(nèi)力）；針對臨時支撐卸除過程，根據(jù)計算機(jī)模擬結(jié)果，按照“先卸受力最大的支撐點”的原則進(jìn)行，合理選擇卸除時機(jī)，并對整個卸除過程進(jìn)行監(jiān)測；采用變形預(yù)調(diào)的方法控制鋼梁撓度。 臨時支撐的布置及構(gòu)造措施臨時支撐在大跨度、大桁架結(jié)構(gòu)施工中有諸多優(yōu)點，但臨時支撐會改變結(jié)構(gòu)體系的受力狀態(tài)，會增加支承體系及其臨近區(qū)域的應(yīng)力。臨時支撐的拆除是一個結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，由施工階段向設(shè)計狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程?，F(xiàn)對北辰三角洲A1地塊臨時支撐的布置進(jìn)行介紹：（1）臨時支撐布置位置 斜柱支撐位置示意圖，斜柱支撐布置于斜鋼柱接口處，共布置7處支撐，方便斜鋼柱的對接安裝，增加施工過程中的安全性。 大跨梁下支撐位置A1地塊懸挑區(qū)上部按電影院設(shè)計，為滿足其建筑功能及造型的需要，需要在大跨梁上起柱。為確保施工安全，梁上起柱處大跨梁下方需設(shè)置臨時支撐，圖中圓圈位置即表示梁下支撐位置。其中3個支撐點位于L04層（1116號點），2個支撐點位于L05層（118號點），剩余13個支撐點均位于L03層頂以下。大跨梁下支撐點1113號點在L04安裝完后即可拆除，剩余支撐待懸挑區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)全部完工，并形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系后開始卸除。（2）斜柱支撐加固方法為了提高施工過程中的安全性，對臨時支撐采用三重加固措施。，第一道措施采用攬風(fēng)繩加固，從頂部向下拉在鋼支撐約1/3處，且調(diào)整攬風(fēng)繩角度不大于60186。第二道措施采用腳手架加固，連接點由四根1m腳手管搭制，再用八根6m腳手管與地面連接，形成一個穩(wěn)固的支撐系統(tǒng)。第三道措施用[10的槽鋼將支撐與鋼柱進(jìn)行連接，拉條高度設(shè)置在支撐高度的2/3以上。 （a）攬風(fēng)繩加固 （b）腳手架加固 （c）槽鋼加固 懸挑區(qū)域斜鋼柱的安裝（1）斜鋼柱的安裝施工階段，懸挑區(qū)域7根斜柱子的安裝較為復(fù)雜。綜合考慮機(jī)械、人員配置以及各方面因素，決定將斜柱分段運送，并在現(xiàn)場拼裝完畢后，再利用起重機(jī)進(jìn)行吊裝。①鋼柱的拼裝由于現(xiàn)場場地限制，現(xiàn)場使用馬凳作為臨時拼裝平臺。所用馬凳現(xiàn)場用槽鋼直接制作。長度大于6米的鋼柱下墊3處馬凳，長度小于6米的鋼柱下墊2處馬凳。 （a）馬凳 （b）馬凳沿直線擺放 （c）焊接三角形鐵板 （d）馬凳拼接鋼柱 馬凳拼接鋼柱流程圖，現(xiàn)場制作馬凳，馬凳由槽鋼制作，為方便鋼柱拼裝及焊接等操作，馬凳高度大約為900mm。鋼柱的對接：將馬凳沿一條直線擺放，馬凳位置固定后先進(jìn)行一次標(biāo)高的測量，確保所有馬凳頂部的標(biāo)高保持一致。標(biāo)高固定后，將兩節(jié)對接的鋼柱分別放置在馬凳上。兩節(jié)鋼柱放置好后，在每個鋼柱兩側(cè)的馬凳上各焊接一個三角形鐵板，固定鋼柱的位置，防止鋼柱滾落。②鋼柱的吊裝鋼柱拼接完成后，先仔細(xì)統(tǒng)計各鋼柱質(zhì)量以確定選用何種類型的機(jī)械，使用履帶吊進(jìn)行跨外吊裝。，由于鋼柱的成型狀態(tài)有一定的傾斜角度，因此鋼柱的吊點也區(qū)別于普通鋼柱。需要對吊點進(jìn)行合理的設(shè)計，在吊裝之前應(yīng)根據(jù)斜柱子的角度，計算出最合適的吊點，以方便現(xiàn)場的安裝。每安裝完一根鋼柱，立即校正焊接，以避免產(chǎn)生變形。 斜柱安裝圖 懸挑區(qū)剩余構(gòu)件安裝整個懸挑區(qū)域的安裝，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場場地情況、構(gòu)件重量、安裝位置等各方面因素綜合考慮，總體為由內(nèi)往外逐步安裝。在大跨梁、斜鋼柱及其它散件安裝過程中，合理調(diào)度起重設(shè)備進(jìn)行施工作業(yè)?？梢圆捎寐膸У蹩缤獾跹b，履帶吊雙機(jī)抬吊等措施。 主要構(gòu)件的安裝方法序號構(gòu)件種類吊裝方法優(yōu)點1大跨梁設(shè)置臨時支撐，分段吊裝 充分利用起重機(jī)的 性能，安全可靠2斜柱地面拼裝，整體吊裝 地面拼裝，精確度較 高，保障斜柱質(zhì)量3其它散件 直接吊裝到位；跨 外吊裝，雙機(jī)抬吊 充分利用各種起重機(jī)，吊裝效率高 有限元模型建立 施工過程仿真分析方法伴隨其施工過程的不斷推進(jìn)，結(jié)構(gòu)形態(tài)從無到有、從局部到整體。在每個不同的施工階段，都會伴隨著結(jié)構(gòu)形式的變化。在結(jié)構(gòu)體系竣工之前，結(jié)構(gòu)會暫時處于該施工階段下的短暫平衡。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入下一個施工階段時，新加入的構(gòu)件或荷載會使結(jié)構(gòu)處于一個不同的平衡狀態(tài)。直至施工徹底完成之前，結(jié)構(gòu)在每個施工階段都是作為一個臨時體系而存在。因此，結(jié)構(gòu)施工階段的受力特點與設(shè)計狀態(tài)是存在著很大的區(qū)別。而對于結(jié)構(gòu)施工階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力的研究，要采取新的技術(shù)方法。目前常用是有限元仿真分析法，主要包括生死單元法和逐步建模分析法。（1）生死單元法結(jié)構(gòu)的施工可以看作是一個將未裝的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不斷加入到已裝結(jié)構(gòu)體系中的過程，每個新加入的構(gòu)件會打破原有的結(jié)構(gòu)受力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致已有結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生變化，這個過程可以用生死單元法來模擬。生死單元法[46，47]通過控制結(jié)構(gòu)單元的“生”和“死”來模擬實際施工階段構(gòu)件的狀態(tài)變化，通常用“活單元”和“死單元”來表示。其中，“死單元”是指在當(dāng)前階段尚未安裝或?qū)χ黧w結(jié)構(gòu)受力無影響的構(gòu)件，“活單元”是指已經(jīng)在當(dāng)前階段安裝完畢的構(gòu)件。生死單元法可以理解為通過修改單元的剛度矩陣來模擬施工過程中構(gòu)件的安拆。，首先依照結(jié)構(gòu)的竣工形態(tài)構(gòu)建有限元分析模型，接著 “殺死”全部單元使結(jié)構(gòu)回歸到施工的最初狀態(tài)。當(dāng)施工到了階段1，率先“激活”施工階段1的單元，并計算該施工階段1對應(yīng)的結(jié)構(gòu)荷載。隨著施工的不斷進(jìn)行，再“激活”施工階段2的單元并計算對應(yīng)的結(jié)構(gòu)荷載。如此反復(fù)操作直至結(jié)構(gòu)達(dá)到竣工狀態(tài)，可實現(xiàn)分析施工全過程變目的。（a）設(shè)計狀態(tài) （b）施工階段1 （c）施工階段2 （d）竣工狀態(tài)一個單元被“殺死”并非指簡單地從模型中將該單元刪除，而是將其剛度矩陣乘以一個數(shù)值K（106），可稱該數(shù)值K為單元“生死”系數(shù)。此時“死單元”的質(zhì)量、荷載及其他相關(guān)特性都將接近于零，雖然它仍出現(xiàn)在單元列表上，但它在力學(xué)性質(zhì)上是處于一種“死”狀態(tài)，這種“死單元”對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響非常的小。一個單元被“激活”的含義，也并非是在模型中直接增添新的單元，而是重新激活單元列表上存在的但在前面階段被“殺死”的單元，即解除其單元“生死”系數(shù)K以達(dá)到恢復(fù)其剛度、質(zhì)量特性的目的。整個施工過程中，雖然“死”單元的物理、力學(xué)特性為零，但它仍會跟隨“活”單元發(fā)生應(yīng)變。這種應(yīng)變稱之為“漂移”作用，它會對結(jié)構(gòu)下一階段的有限元模型產(chǎn)生影響。根據(jù)生死單元法的基本原理和基本流程可以知道，采用生死單元法對不同施工方法進(jìn)行過程模擬分析是十分便利的。首先依據(jù)設(shè)計狀態(tài)建立結(jié)構(gòu)的整體模型，然后根據(jù)施工順序控制單元的“生”或“死”來對施工過程進(jìn)行模擬，同時該方法可以非常方便地體現(xiàn)細(xì)微變化對結(jié)構(gòu)的影響。但對于大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類型，采用生死單元技術(shù)進(jìn)行仿真模擬結(jié)構(gòu)的施工全過程會存在一定的問題。需附加約束條件才可完全保證構(gòu)件“激活”時處于預(yù)定的位形上。“死”單元的“漂移”作用不易控制，處理不好會導(dǎo)致單元“激活”時的剛度矩陣發(fā)生錯誤，使結(jié)構(gòu)處于一種“畸變”的形態(tài)，這將與現(xiàn)實情況存在較大的差距，最終往往求解失敗。（2）逐步建模分析法逐步建模分析法[48]基本思想為，先制定施工方法及順序，接著依照不同的施工階段計算結(jié)構(gòu)單元的剛度矩陣并施加相應(yīng)階段的荷載。這樣依照施工順序一邊建立模型一邊求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，可以有效地模擬仿真施工全過程。逐步建模技術(shù)中未裝構(gòu)件的單元將不計入結(jié)構(gòu)模型中，就不會對結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣產(chǎn)生影響，已安裝與未安裝結(jié)構(gòu)相互之間的影響可以徹底消除了，更可以精確控制施工過程中構(gòu)件的安裝位形。逐階段建模法是最為常規(guī)的施工過程分析方法，應(yīng)用也最為廣泛。它的基本原理：按照擬定施工順序，確立結(jié)構(gòu)的施工階段，把結(jié)構(gòu)分成n個單元塊，按2…n個階段完成。每個施工階段的有限元方程為：施工第一階段 （） （）施工第二階段 （） （）…… ……施工第n階段 （） （）式中: 為到施工階段時，結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣； 為到施工階段時，結(jié)構(gòu)的總位移向量；為到施工階段時，結(jié)構(gòu)的總節(jié)點荷載向量；為到施工階段時，結(jié)構(gòu)桿單元的剛度矩陣；為到施工階段時，結(jié)構(gòu)的幾何矩陣；為到施工階段時，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力向量。（a）設(shè)計狀態(tài) （b）施工階段1 （c）施工階段2 （d）竣工狀態(tài) 逐步建模技術(shù)模擬施工過程逐階段建模法是依照擬定的施工方案，根據(jù)工程劃分好n個施工階段。再針對每個施工階段建立獨立的有限元模型，然后施加每個階段對應(yīng)的荷載及邊界條件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，由施工階段1直到施工階段n，即工程達(dá)到竣工狀態(tài)。，這樣的方法可以有效地模擬仿真施工全過程，可以良好地控制結(jié)構(gòu)的竣工形態(tài)。 有限元模型建立要點北辰三角洲A1地塊懸挑區(qū)結(jié)構(gòu)的不同的施工階段受力明確，需要對每個施工階段完成后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行分析。將采用基于MIDAS/Gen的逐步建模分析法。影響MIDAS/Gen模型的有限元分析主要有三個要點：節(jié)點、單元和邊界條件。通過控制節(jié)點確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相對位置；通過控制單元可以確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)及物理特性；通過控制邊界條件確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的節(jié)點約束