屋頂飄帶彩帶結(jié)構(gòu)施工方案的數(shù)值模擬分析

屋頂飄帶彩帶結(jié)構(gòu)施工方案的數(shù)值模擬分析

1結(jié)構(gòu)體系及安裝杭州國(guó)際博覽中心是杭州奧體博覽的重要組成部分。屋頂?shù)膬A斜結(jié)構(gòu)如圖1所示。，全球由自由曲線網(wǎng)架、支持彩帶和支撐剛架組成。其中,作為主要支撐結(jié)構(gòu)的兩條彩帶拱采用寬2.0m、高0.95m的矩形截面,如圖2所示,剛接在44.00m標(biāo)高的主體結(jié)構(gòu)上,兩條彩帶總重約為1453t,長(zhǎng)度分別約為231m和227m,間隔72m,最高點(diǎn)標(biāo)高75.5m。該支撐結(jié)構(gòu)規(guī)模較大,形式復(fù)雜,且在屋頂施工,在國(guó)內(nèi)少有類似結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例。施工的先后順序以及卸載方案對(duì)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和施工完畢后結(jié)構(gòu)的位移、構(gòu)件的內(nèi)力等有較大影響。有必要對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,驗(yàn)證施工方案的可行性與可靠性。2結(jié)構(gòu)施工模擬施工模擬,本質(zhì)上是一種分階段變剛度分析方法,即通過(guò)修改構(gòu)件的剛度矩陣來(lái)決定其是否參與計(jì)算,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的安裝拆除模擬。計(jì)算針對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際施工的每一個(gè)階段,對(duì)每一階段狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)施加階段荷載,每一階段的初始狀態(tài)均為前一階段的結(jié)束狀態(tài),通過(guò)計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際施工過(guò)程的模擬。研究表明,結(jié)構(gòu)竣工狀態(tài)的內(nèi)力和變形是各施工步效應(yīng)累積的結(jié)果,與施工過(guò)程和時(shí)間效應(yīng)密切相關(guān)。而傳統(tǒng)的一次性加載,無(wú)法考慮施工過(guò)程及時(shí)間效應(yīng)的影響,也無(wú)法對(duì)施工過(guò)程形成指導(dǎo),因此考慮時(shí)間效應(yīng)的分析和計(jì)算就顯得尤為必要。在現(xiàn)代大型結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)中,施工之前對(duì)施工方案進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真、模擬已經(jīng)成為一種節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本、避免施工事故的新興施工技術(shù)。這對(duì)于保證結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的安全性及合理性具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。而隨著有限元軟件的普遍應(yīng)用,用“生死單元”模擬施工過(guò)程已逐漸成為一種相對(duì)簡(jiǎn)單而又有效的方法。3節(jié)省準(zhǔn)備過(guò)程的模擬分析3.1彩帶厚度對(duì)于大跨空和小跨件支撐2條彩帶施工過(guò)程中分別設(shè)置了5片臨時(shí)支撐,每一片臨時(shí)支撐都由相應(yīng)預(yù)制好的區(qū)段組裝而成。根據(jù)彩帶高度不同,各支撐格構(gòu)柱的長(zhǎng)度也不同。因?yàn)榕R時(shí)支撐的水平支撐桿件對(duì)于施工過(guò)程中彩帶的變形和內(nèi)力影響不大,建模時(shí)忽略了水平支撐的影響。另外,因?yàn)?條彩帶長(zhǎng)度不同,下部臨時(shí)支撐格構(gòu)柱個(gè)數(shù)也不同,東西2條彩帶下分別設(shè)置了23,22個(gè)格構(gòu)柱作為臨時(shí)支撐。為避免施工時(shí)彩帶拱可能產(chǎn)生的橫向傾覆問(wèn)題,在與門式鋼架連接的同時(shí),在2條彩帶第4,8,9個(gè)臨時(shí)支撐柱處分別設(shè)置了3個(gè)橫向的臨時(shí)斜撐。3.2施工仿真模型根據(jù)杭州國(guó)際博覽中心飄帶結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)圖,采用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)2條彩帶拱結(jié)構(gòu)的拼裝和卸載施工全過(guò)程進(jìn)行建模分析。其施工仿真模型主要包括兩部分:門式剛架與臨時(shí)支撐施工模型、彩帶拱施工模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點(diǎn),整個(gè)彩帶拱結(jié)構(gòu)桿件和下部臨時(shí)支撐桿件均采用beam188單元進(jìn)行模擬,該單元具有應(yīng)力剛化、彈塑性、大變形和單元生、死等功能,符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、滿足施工仿真要求。建模時(shí)對(duì)臨時(shí)支撐格構(gòu)柱截面進(jìn)行了等效處理。3.3彩帶順序安裝難根據(jù)臨時(shí)支撐設(shè)置形式和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,施工時(shí)將東西兩條彩帶分別分為27段和26段。進(jìn)而將整個(gè)拼裝過(guò)程分為27個(gè)施工步驟。施工時(shí),先安裝好門式剛架和臨時(shí)支撐,之后同時(shí)對(duì)2條彩帶從北至南依次順序吊裝。但是對(duì)于2條彩帶結(jié)構(gòu)的第4~7段,由于下部臨時(shí)支撐和支座數(shù)目之和少于彩帶的分段數(shù),此處順序安裝會(huì)造成第5段彩帶完全處于臨時(shí)的懸臂狀態(tài),將產(chǎn)生較大位移和較大結(jié)構(gòu)內(nèi)力。因此對(duì)于第4~7段彩帶結(jié)構(gòu)拼裝施工順序進(jìn)行局部調(diào)整,局部改為從北至南反順序依次安裝,即在安裝完第3段彩帶后,先安裝第7段彩帶,接著安裝第6,5,4段彩帶,之后的其他施工步正常順序進(jìn)行。3.4風(fēng)荷載作用下的協(xié)同轉(zhuǎn)導(dǎo)工根據(jù)以上施工方案,利用ANSYS單元生死技術(shù)對(duì)拼裝施工全過(guò)程進(jìn)行跟蹤模擬計(jì)算,根據(jù)模擬分析計(jì)算結(jié)果,得到了關(guān)鍵施工步彩帶結(jié)構(gòu)的變形,桿件應(yīng)力以及施工控制關(guān)鍵點(diǎn)的位移情況。在彩帶結(jié)構(gòu)拼裝施工過(guò)程中,上部飄帶網(wǎng)架尚未安裝,所以結(jié)構(gòu)所受到的豎向荷載相對(duì)并不大,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題相對(duì)并不突出。但是結(jié)構(gòu)自身高度較大,彩帶箱形截面高度也較大,因此在拼裝施工過(guò)程中,彩帶結(jié)構(gòu)的橫向傾覆問(wèn)題成為了施工過(guò)程中必須要重視的問(wèn)題,所以對(duì)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)受到的水平風(fēng)荷載必須加以考慮。根據(jù)設(shè)計(jì)文件,取基本風(fēng)壓為0.5kN/m2,對(duì)此風(fēng)荷載作用下的彩帶拼裝施工過(guò)程進(jìn)行跟蹤模擬,提出了彩帶施工過(guò)程中考慮風(fēng)荷載作用時(shí)關(guān)鍵施工步結(jié)構(gòu)的水平位移情況。對(duì)模擬分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,圖3給出了彩帶拱結(jié)構(gòu)在拼裝施工全過(guò)程中,無(wú)風(fēng)荷載作用時(shí)產(chǎn)生的最大豎向位移變化曲線,以及在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的水平向最大位移變化曲線。圖4則給出了拼裝施工全過(guò)程中,彩帶拱結(jié)構(gòu)所有桿件中產(chǎn)生的最大應(yīng)力隨施工步的變化曲線。拼裝施工全過(guò)程分析結(jié)果表明,彩帶支撐在拼裝施工過(guò)程中產(chǎn)生的最大豎向位移為6.8mm,最大應(yīng)力為8.3MPa,在橫向風(fēng)荷載作用下的最大水平向位移為9.7mm。同時(shí)提取出各支撐頂點(diǎn)處關(guān)鍵點(diǎn)在施工過(guò)程中的三向位移情況,以便對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。根據(jù)整個(gè)施工過(guò)程的模擬分析結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),彩帶支撐在整個(gè)拼裝施工過(guò)程中的最大應(yīng)力和最大位移均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)施工的第3步。在安裝第3段支撐彩帶時(shí),由于彩帶末端離所設(shè)置的臨時(shí)支撐距離較遠(yuǎn),因此在第3段彩帶安裝完畢而第4段彩帶安裝之前,整個(gè)第3段彩帶臨時(shí)處于懸臂狀態(tài),所以產(chǎn)生了較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移。且受支撐布置形式的限制,此懸臂狀態(tài)不能通過(guò)改變施工順序加以避免,但該最危險(xiǎn)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移均能滿足施工安全要求。而在考慮風(fēng)荷載作用時(shí),在彩帶每一拱段的最高處,產(chǎn)生了較大的水平位移,且最大位移產(chǎn)生在施工過(guò)程的第4,5步,但受門式剛架和水平向斜撐約束,所產(chǎn)生的位移相對(duì)并不大,均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。4負(fù)載施工過(guò)程的模擬分析4.1條彩帶的裝卸每條彩帶結(jié)構(gòu)分別從北向南依次有5個(gè)拱段,相應(yīng)有5個(gè)拱頂(將彩帶最南端也算為一個(gè)拱段),東、西2條彩帶下分別設(shè)置了23,22個(gè)臨時(shí)支撐格構(gòu)柱。卸載時(shí),選擇從北至南分拱段依次卸載,從每一拱段的拱頂開始,向該拱段兩邊卸載,即結(jié)構(gòu)從北向南,每一拱段從中間向兩邊卸載,2條彩帶同時(shí)同步進(jìn)行。為方便說(shuō)明,定義每個(gè)拱段中間最高支撐為中柱,中柱兩邊兩根支撐為次中柱,次中柱外兩根較矮支撐為邊柱。卸載時(shí),每一拱段按中柱-次中柱-邊柱的順序進(jìn)行卸載。根據(jù)2條彩帶結(jié)構(gòu)在不同位置下部支撐的每級(jí)卸載長(zhǎng)度,將2條彩帶的卸載施工過(guò)程分為21個(gè)施工步驟。因?yàn)楦魑恢弥芜_(dá)到完全卸載時(shí)的卸載長(zhǎng)度不同,因此各支撐卸載分級(jí)不同。通過(guò)試算得出每一支撐卸載完全時(shí)所需達(dá)到的長(zhǎng)度,結(jié)果表明,2條彩帶最南端8根支撐卸載長(zhǎng)度較長(zhǎng),卸載時(shí)按相應(yīng)支撐卸載完全所需長(zhǎng)度的30%,70%,100%分3級(jí)進(jìn)行卸載。其余各支撐卸載完全時(shí)所達(dá)長(zhǎng)度較短,均在10mm之內(nèi)。其中卸載總長(zhǎng)度在5mm之內(nèi)的支撐,一次性卸載完畢,卸載長(zhǎng)度在5~10mm的,均分為兩級(jí)進(jìn)行卸載,即按50%,100%卸載完畢。4.2彩帶結(jié)構(gòu)卸荷過(guò)程中的應(yīng)力利用ANSYS單元生死技術(shù)對(duì)彩帶結(jié)構(gòu)卸載施工全過(guò)程進(jìn)行跟蹤模擬計(jì)算,根據(jù)模擬分析結(jié)果,得到了關(guān)鍵施工步彩帶結(jié)構(gòu)的變形、桿件應(yīng)力以及施工控制關(guān)鍵點(diǎn)的位移情況。對(duì)模擬分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可得到彩帶結(jié)構(gòu)三向最大位移和桿件最大應(yīng)力在卸載施工過(guò)程中的變化情況。圖5給出了彩帶拱結(jié)構(gòu)在卸載施工全過(guò)程中產(chǎn)生的x,y,z三向最大位移變化曲線。圖6為在卸載施工過(guò)程中,彩帶結(jié)構(gòu)所有桿件中產(chǎn)生的最大應(yīng)力隨施工步的變化曲線。施工全過(guò)程分析表明,彩帶結(jié)構(gòu)在卸載施工過(guò)程中產(chǎn)生的x向最大位移為6mm,y向最大位移為17.1mm,z向最大位移為48.9mm,最大應(yīng)力為59.2MPa。其中,x向最大位移產(chǎn)生在卸載到彩帶支撐標(biāo)高最高時(shí)。而y向、z向最大位移均產(chǎn)生在卸載到第4拱段末和進(jìn)行第5拱段卸載時(shí),此處一是由于卸載到最后剩余支撐受力較大,二是由于該端部支撐有較大懸挑,造成了卸載時(shí)產(chǎn)生的位移也較大。從分析結(jié)果也可知,彩帶結(jié)構(gòu)卸載時(shí)產(chǎn)生最大應(yīng)力也發(fā)生在卸載到第4拱段末和進(jìn)行第5拱段卸載時(shí),其原因和產(chǎn)生x,z向最大位移原因相同。但此階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移均能滿足施工安全要求。同時(shí)提取出各施工關(guān)鍵點(diǎn)在施工過(guò)程中的三向位移情況,以便對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。5彩帶拼裝施工過(guò)程跟蹤模擬1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和施工進(jìn)度安排,制定了彩帶形拱結(jié)構(gòu)施工時(shí)所采用的臨時(shí)支撐方案以及拼裝和卸載施工方案。2)根據(jù)現(xiàn)有施工方案,利用ANSYS生死單元技術(shù)對(duì)支撐彩帶拼裝和卸載施工的全過(guò)程(共48個(gè)施工階段)進(jìn)行了跟蹤模擬,分析表明,對(duì)于所給施工方案,結(jié)構(gòu)在施工全過(guò)程