技术论文
重庆大剧院悬挑结构施工工况分析
2016-09-06

重庆大剧院悬挑结构施工工况分析

Jettied Construction Analysis of Chong Qing Theatre

黄新良1 陈勇敢2 易建文3

Huang Xin-liang, Chen Yong-gan, Yi Jian-wen

(浙江杭萧钢构股份有限公司 杭州 310003)

       摘要:本文介绍了重庆大剧院大悬挑钢结构的施工安装步骤,并使用SAP2000 V14和MIDAS/GEN7.3.0软件对整个结构施工过程(包括加载与卸载过程)进行了验算。整体施工模拟验算考虑了构件、荷载及边界条件的分步加载、分步卸载以及变形的逐步累积。通过施工分析得到各阶段结构的变形、应力及支座反力,验证了安装方案的可行性,也为现场安全施工提供依据,可供类似工程参考。

       关键词:悬挑结构;施工工况分析验算;变形;临时支撑

       重庆大剧院作为国内重点剧场工程,其结构为复杂空间结构。这给结构设计、施工安装带来很大的困难和挑战。而作为本工程重中之重的结构HJ3、SRC结构及大悬挑结构部分,其中HJ3(桁架)最高就有13.6米,悬挑约43米,桁架下悬挂6层楼面,悬挂的楼面标高分别为8m、12m、16m、22m、26m、31m,HJ3的顶标高为43.58m。为了更加安全的安装施工,保证此部分结构在施工加载与卸载阶段的可靠性和安全度,对本部分的结构进行施工阶段的模拟施工工况分析验算是十分必要。结构整体三维图见图一,悬挑结构施工阶段立面图见图二:

图一

图二

       1、施工阶段分析介绍

       目前结构设计一般只针对使用阶段的结构进行分析,结构设计计算都是建立在结构使用阶段的力学模型上,此时结构已经形成一个整体,能够协同工作。而实际结构的自重等恒荷载是在施工过程中逐步加在结构上的,竣工时恒荷载产生的内力和变形也是由各施工步的效应依次累积而成,不同的施工方法和施工顺序,最后的结构体系的内力和位移是不同的。对于一些大型复杂项目,安装顺序、施工措施等因素对竣工时结构的内力和位移状态有很大影响,甚至有些结构可能会在施工过程中由于结构丧失稳定性或发生强度破坏而导致工程坍塌事故。现代大型复杂项目的建设要求设计人员须对结构的施工过程进行分析,同时施工人员须预测和控制施工过程中结构内力和变形的发展和变化,以保证施工过程中结构的安全性以及竣工状态结构的内力和变形满足设计要求。

       施工阶段时,整体结构的荷载主要是自重和临时施工荷载,还有风荷载、温度效益,施工误差的影响等,由于这些荷载都很小,施工阶段主要考虑自重合临时施工荷载的影响。施工阶段时构件处于弹性变形阶段,可以利用叠加原理。

       本工程悬挑结构在施工加载阶段,在悬挑结构的下部设置临时钢支撑,构件安装时,承载与稳定均能得到保证;主要是针对在施工卸载阶段,需要分级卸载临时钢支撑的反力,并通过对监测点的位移控制,来达到分级卸载的效果,避免一次性卸载可能导致结构瞬间受力而破坏失稳的可能,使悬挑结构缓慢进入正常使用阶段。

       总之,施工阶段验算可以为施工过程提供安全精确的数值结果,指导施工过程。

       2、施工分析方法

       本文整体施工阶段分析采用通用设计软件SAP2000 V14 和MIDAS/GEN7.3.0完成。分析的步骤如下:

       (1)、建模。并把同一施工阶段内产生或消失的单元、荷载及边界条件指定为一个组,其中边界条件包括杆件端部的约束释放条件。临时支撑也需按阶段指定为组。

       (2)、指定徐变和收缩等材料特性。钢结构材料强度没有时间效应,不需要定义徐变和收缩材料特性。

       (3)、连接已经定义的时间依存性材料和一般材料的性质。

       (4)、按照实际施工顺序,利用预先定义的单元组、边界条件组、荷载组来定义施工阶段。并指定每个施工阶段的持续时间。

       (5)、定义施工分析条件,进行结构分析。

       (6)、查看施工阶段分析结果。

       施工过程整体分析中考虑了以下荷载工况条件:

       (7)、结构自重;

       (8)、施工荷载;内力计算时取0.2 倍的结构自重 (含构件吊装动力系数)。

       3、施工阶段监测点布置

监测点布置图

       施工条件:相邻框架结构需安装完成,相邻屋架需安装、焊接完成以及屋架整体支撑系统需完成,且SRC混凝土强度达到28天设计强度,也就是作为本悬挑结构侧向支撑的混凝土结构构件(剪力墙、混凝土梁柱、混凝土楼板)需浇注完成并达到设计强度。在这种情况下,同时保证5个临时钢支撑(1#~5#,从右向左)正确设置并同时受力。

       4、施工工况模拟条件、边界约束和构件刚度假定

       4.1按照施工蓝图建立15~16轴线的屋架、桁架、楼面梁、屋架间支撑系统的SAp2000模型;

       4.2对SRC结构位置采用混凝土等效刚度模拟钢骨结构,保证与原结构刚度基本一致。

       4.3将SRC结构的位置调整指31.000标高楼面位置。

       4.4在16/31轴对应于SRC结构的位置设置竖向连接杆件。

       4.5其中15~16轴间和31~32轴之间的刚接联系梁改成两端铰接。

       4.6楼面主次梁与周边混凝土结构进行边界连接及屋面支撑系统与周边混凝土结构进行连接,并完全按照施工蓝图的要求设置边界条件,刚接的位置设置刚接,铰接的位置设置铰接。

       4.7两个侧向悬挑SRC结构与HJ3保持刚接,另一端采用固接支座。

       4.8桁架HJ3在M、N、O轴线位置的支座,采用竖向约束的支座;在P轴线位置的支座采用铰接支座,约束水平和竖向位移,但可以转动。

       4.9按照施工蓝图要求设置楼板,荷载考虑结构构件自重和楼板的自重,施工活荷载按照2.0KN/m2。

       4.10考虑混凝土开裂以及施工等原因,SRC结构中混凝土刚度折减0.8。

       5、卸载步骤

       分三阶段进行:

       5.1第一次卸载:结构自身安装完成,并保证楼面系统、屋面支撑系统均已经连接完毕,SRC结构达到要求强度,HJ3、SRC结构与下部框架结构连接完成,按结构自重可能在结构监测点产生的变形,进行变形控制卸载。

       5.2第二次卸载:完成31.000~22.000标高楼面浇注并达到要求强度后,按楼板恒载可能在结构监测点产生的变形,进行变形控制卸载。

       5.3第三次卸载:完成16.000~8.000标高楼面浇注并达到要求强度后,按楼板恒载可能在结构监测点产生的变形,进行变形控制卸载。

       所有变形控制卸载之前,必须对结构进行预起拱,并保证结构三次卸载完成后,结构各个监测点的标高在原设计标高的位置。

       必须保证三次卸载过程中,5个屋架下的临时钢支撑同时受力,并按要求进行分步卸载,卸载过程中,不可拆除任何一个临时钢支撑。

       6、施工工况分析

       根据结构施工全过程有限元数值分析结果,在整个施工过程中,随着各部分结构构件的顺序安装,结构位移及支座反力逐步增大。而在卸载过程中,随着临时支撑上反力的逐步分级释放,悬挑结构端部的位移也逐渐增大,最大位移点在5#监测点(也就是悬挑结构的最外端),最大竖向位移为14.16mm,能够满足设计要求。

       限于篇幅,此处给出了各施工步中结构的受力变形图和数据表格。

       6.1 三阶段自重及楼面施工荷载作用下的竖向位移等值线图:

第一阶段
(在钢构件自重荷载作用下的变形图)

第二阶段
(在钢构件自重、22~31米标高楼面自重及施工荷载作用下的变形图)

第三阶段
(在钢构件自重、8~31米标高楼面自重及施工荷载作用下的变形图)

       6.2 三阶段自重及楼面施工荷载作用下的钢构件的轴力图:

第一阶段
(在钢构件自重荷载作用下的轴力图)

第二阶段
(在钢构件自重、22~31米标高楼面自重及施工荷载作用下的轴力图)

第三阶段
(在钢构件自重、8~31米标高楼面自重及施工荷载作用下的轴力图)

6.3三阶段自重及楼面施工荷载作用下的钢构件的轴力图(设置临时支撑后):

第一阶段(设支撑)
(在钢构件自重荷载作用下的轴力图)

第二阶段(设支撑)
(在钢构件自重、22~31米标高楼面自重及施工荷载作用下的轴力图)

第三阶段(设支撑)
(在钢构件自重、8~31米标高楼面自重及施工荷载作用下的轴力图)

       6.4施工卸载阶段各监测点竖向变形控制:

       说明:

       1、第一次卸载的变形值是在HJ3、SRC结构与下部框架结构连接后,整体构件在自重作用下的变形值。

       2、第二次卸载的变形累计值是指整体构件自重和31.000~22.000标高楼面完成后自重作用下的变形值。第二次本次卸载的变形值是指第二次累计的变形值-第一次累计的变形值,即有31.000~22.000标高楼面自重作用下的变形值。

       3、第三次卸载的变形累计值是指整体构件自重和31.000~8.000标高楼面完成后自重作用下的变形值。第三次本次卸载的变形值是指第三次累计的变形值-第二次累计的变形值,即有16.000~8.000标高楼面自重作用下的变形值。

       6.4三步卸载过程中,支撑卸载顺序为1#-3#-5#-2#-4#(沿悬挑最外端向内侧,临时支撑的编号分别为1#-2#-3#-4#-5#):

       说明:

       1、考虑到临时支撑现场同时卸载比较困难,故在卸载的过程中采用1~5#支撑分步卸载。

       2、各分步卸载阶段支撑的反力可直接用于临时支撑杆件的设计。

       7、结论

       本文介绍了重庆大剧院悬挑结构的非线性施工分析(特别是施工卸载工况的分析)。根据实际的施工步骤,利用SAP2000和MIDAS/GEN软件分3步进行重点的卸载工况分析。

       1、悬挑结构在安装过程中需采取必要的临时支撑后可以保证结构施工阶段的安全性。

       2、施工分析得出的临时支撑的内力结果也可以为支撑构件的设计和制作提供参考依据。

       3、施工卸载阶段设置了10个竖向位移控制的监测点,而卸载施工工况的分析变形结果为实际卸载变形控制提供了参考依据。

       4、施工工况分析的构件内力结果(特别是HJ3下的吊柱,在施工安装阶段是受压构件,而实际使用阶段是受拉构件)可以为结构施工过程中的安全性评估提供依据。

       5、施工工况分析各支撑的反力结果可以作为卸载过程中,不同支撑卸载先后顺利的参考依据。

       6、本施工工况分析可供类似工程参考。

       参考文献

       [1] 钢结构设计规范[S]. GB 50017-2003. 中国计划出版社.

       [2] 建筑结构荷载规范[S]. GB 50009-2001(2006版). 中国建筑工业出版社.

       [3] SAP2000中文版使用指南.