【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3）施工過(guò)程仿真分析基于有限元軟件MIDAS/Gen，對(duì)懸挑區(qū)鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)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(gè)施工步驟結(jié)束后，用有限元軟件分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移、支撐點(diǎn)應(yīng)力比。期間對(duì)懸挑區(qū)域臨時(shí)支撐卸除進(jìn)行模擬仿真。商業(yè)懸挑區(qū)域共采用18個(gè)臨時(shí)支撐，其中3個(gè)支撐位于L04層，2個(gè)支撐位于L05層，剩余13個(gè)支撐均位于L03層頂以下。大跨梁下支撐點(diǎn)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(kāi)始卸除。（4）理論模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析工程采用振弦式應(yīng)變儀對(duì)指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)。找到實(shí)測(cè)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(zhǎng)沙北辰三角洲A1地塊項(xiàng)目懸挑區(qū)鋼結(jié)構(gòu)施工為例，采用MIDAS/Gen軟件對(duì)其鋼結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程進(jìn)行仿真分析，為工程施工方案的制定以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供可靠依據(jù)。 工程概況北辰三角洲位于湖南省長(zhǎng)沙市開(kāi)福區(qū)，西臨湘江，北依瀏陽(yáng)河，東靠芙蓉北路，南抵319國(guó)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(xiě)字樓等綜合公共建筑共計(jì)32萬(wàn)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(niǎo)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(jì)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(diǎn)和施工方案確定結(jié)構(gòu)施工過(guò)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(guò)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(yùn)用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析手段，對(duì)結(jié)構(gòu)體系的施工全過(guò)程進(jìn)行分析，全面了解結(jié)構(gòu)施工過(guò)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(guò)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(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)（幾何形態(tài)、內(nèi)力等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并按照不同階段的控制目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。第六，根據(jù)階段控制目標(biāo)，通過(guò)預(yù)變形，預(yù)起拱等技術(shù)對(duì)施工過(guò)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(cè)結(jié)果了解實(shí)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(jì)算模型。第八，從結(jié)構(gòu)已完成的狀態(tài)開(kāi)始，重新推演結(jié)構(gòu)變形過(guò)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(yùn)輸?shù)跹b困難。懸挑區(qū)域同時(shí)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(duì)較重鋼柱、鋼梁采取分段運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，再在施工現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，應(yīng)合理布置臨時(shí)支撐點(diǎn)，以保證整個(gè)施工過(guò)程的安全。較重鋼柱同樣采用分段運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)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(shí)支撐的拆除是一個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的過(guò)程，施工中應(yīng)采取必要的方法、手段以保證臨時(shí)支撐卸除階段結(jié)構(gòu)整體的安全性。采用計(jì)算機(jī)仿真分析整個(gè)懸挑區(qū)的安裝過(guò)程，包括位移分析、支撐及卸除過(guò)程分析。通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)整個(gè)安裝過(guò)程進(jìn)行跟蹤測(cè)量（包括位移及內(nèi)力）；針對(duì)臨時(shí)支撐卸除過(guò)程，根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，按照“先卸受力最大的支撐點(diǎn)”的原則進(jìn)行，合理選擇卸除時(shí)機(jī)，并對(duì)整個(gè)卸除過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)；采用變形預(yù)調(diào)的方法控制鋼梁撓度。 臨時(shí)支撐的布置及構(gòu)造措施臨時(shí)支撐在大跨度、大桁架結(jié)構(gòu)施工中有諸多優(yōu)點(diǎn)，但臨時(shí)支撐會(huì)改變結(jié)構(gòu)體系的受力狀態(tài)，會(huì)增加支承體系及其臨近區(qū)域的應(yīng)力。臨時(shí)支撐的拆除是一個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，由施工階段向設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程?，F(xiàn)對(duì)北辰三角洲A1地塊臨時(shí)支撐的布置進(jìn)行介紹：（1）臨時(shí)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(duì)接安裝，增加施工過(guò)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(jì)，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(shí)支撐，圖中圓圈位置即表示梁下支撐位置。其中3個(gè)支撐點(diǎn)位于L04層（1116號(hào)點(diǎn)），2個(gè)支撐點(diǎn)位于L05層（118號(hào)點(diǎn)），剩余13個(gè)支撐點(diǎn)均位于L03層頂以下。大跨梁下支撐點(diǎn)1113號(hào)點(diǎn)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(kāi)始卸除。（2）斜柱支撐加固方法為了提高施工過(guò)程中的安全性，對(duì)臨時(shí)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(diǎn)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(gè)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(yùn)送，并在現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)場(chǎng)地限制，現(xiàn)場(chǎng)使用馬凳作為臨時(shí)拼裝平臺(tái)。所用馬凳現(xiàn)場(chǎng)用槽鋼直接制作。長(zhǎng)度大于6米的鋼柱下墊3處馬凳，長(zhǎng)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(chǎng)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(duì)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(cè)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(duì)接的鋼柱分別放置在馬凳上。兩節(jié)鋼柱放置好后，在每個(gè)鋼柱兩側(cè)的馬凳上各焊接一個(gè)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(jì)各鋼柱質(zhì)量以確定選用何種類(lèi)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(diǎn)也區(qū)別于普通鋼柱。需要對(duì)吊點(diǎn)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，在吊裝之前應(yīng)根據(jù)斜柱子的角度，計(jì)算出最合適的吊點(diǎn)，以方便現(xiàn)場(chǎng)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(gè)懸挑區(qū)域的安裝，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)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(guò)程中，合理調(diào)度起重設(shè)備進(jìn)行施工作業(yè)。可以采用履帶吊跨外吊裝，履帶吊雙機(jī)抬吊等措施。 主要構(gòu)件的安裝方法序號(hào)構(gòu)件種類(lèi)吊裝方法優(yōu)點(diǎn)1大跨梁設(shè)置臨時(shí)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(guò)程仿真分析方法伴隨其施工過(guò)程的不斷推進(jìn)，結(jié)構(gòu)形態(tài)從無(wú)到有、從局部到整體。在每個(gè)不同的施工階段，都會(huì)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(huì)暫時(shí)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(gè)施工階段時(shí)，新加入的構(gòu)件或荷載會(huì)使結(jié)構(gòu)處于一個(gè)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(gè)施工階段都是作為一個(gè)臨時(shí)體系而存在。因此，結(jié)構(gòu)施工階段的受力特點(diǎn)與設(shè)計(jì)狀態(tài)是存在著很大的區(qū)別。而對(duì)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(gè)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(guò)程，每個(gè)新加入的構(gòu)件會(huì)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(gè)過(guò)程可以用生死單元法來(lái)模擬。生死單元法[46，47]通過(guò)控制結(jié)構(gòu)單元的“生”和“死”來(lái)模擬實(shí)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(lái)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(wú)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(guò)修改單元的剛度矩陣來(lái)模擬施工過(guò)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(jì)算該施工階段1對(duì)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(jì)算對(duì)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(shí)現(xiàn)分析施工全過(guò)程變目的。（a）設(shè)計(jì)狀態(tài) （b）施工階段1 （c）施工階段2 （d）竣工狀態(tài)一個(gè)單元被“殺死”并非指簡(jiǎn)單地從模型中將該單元?jiǎng)h除，而是將其剛度矩陣乘以一個(gè)數(shù)值K（106），可稱該數(shù)值K為單元“生死”系數(shù)。此時(shí)“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(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響非常的小。一個(gè)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(gè)施工過(guò)程中，雖然“死”單元的物理、力學(xué)特性為零，但它仍會(huì)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(huì)對(duì)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(duì)不同施工方法進(jìn)行過(guò)程模擬分析是十分便利的。首先依據(jù)設(shè)計(jì)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(lái)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，同時(shí)該方法可以非常方便地體現(xiàn)細(xì)微變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。但對(duì)于大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類(lèi)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(guò)程會(huì)存在一定的問(wèn)題。需附加約束條件才可完全保證構(gòu)件“激活”時(shí)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(huì)導(dǎo)致單元“激活”時(shí)的剛度矩陣發(fā)生錯(cuò)誤，使結(jié)構(gòu)處于一種“畸變”的形態(tài)，這將與現(xiàn)實(shí)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(jì)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(guò)程。逐步建模技術(shù)中未裝構(gòu)件的單元將不計(jì)入結(jié)構(gòu)模型中，就不會(huì)對(duì)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(guò)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(guò)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(gè)單元塊，按2…n個(gè)階段完成。每個(gè)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(shí)，結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣； 為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)的總位移向量；為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)的總節(jié)點(diǎn)荷載向量；為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)桿單元的剛度矩陣；為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)的幾何矩陣；為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力向量。（a）設(shè)計(jì)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(guò)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(gè)施工階段。再針對(duì)每個(gè)施工階段建立獨(dú)立的有限元模型，然后施加每個(gè)階段對(duì)應(yīng)的荷載及邊界條件對(duì)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(guò)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(diǎn)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(duì)每個(gè)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(gè)要點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)、單元和邊界條件。通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相對(duì)位置；通過(guò)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(guò)控制邊界條件確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)約束