超高層鋼結(jié)構(gòu)施工過程數(shù)值模擬分析

超高層鋼結(jié)構(gòu)施工過程數(shù)值模擬分析

北京視聽中心綜合商業(yè)大樓位于42層，地下3層，平面尺寸68.2米62米，建筑高度156.4米。這是一座超高層建筑。其外觀如圖1所示。該建筑位于一個(gè)開放的中廳內(nèi)，由四個(gè)“l(fā)”形建筑柱組成。大柱之間用巨大的鋼框架連接起來，形成了結(jié)構(gòu)的巨大結(jié)構(gòu)。如圖2所示，四個(gè)復(fù)合巨柱是指由鋼柱、鋼梁和鋼支撐組成的筒結(jié)構(gòu)。大柱梁是指連接6層和7層的大型鋼結(jié)構(gòu)框架梁和20層的屋頂梁的鋼結(jié)構(gòu)?？蚣芰⒅捎霉芏?、箱形和h形截面，主框架梁的上、下、腹部框架采用h形截面。鋼結(jié)構(gòu)的點(diǎn)連接主要是螺旋形連接。如采用傳統(tǒng)施工工藝,結(jié)構(gòu)下部構(gòu)件內(nèi)力較大,變形也大,愈到上部,內(nèi)力、變形愈小,因而達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的受力狀態(tài).所以,主體結(jié)構(gòu)2~20層采用“上掛下托”新型施工工藝施工.“上掛下托”即主體鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后,在第12層切斷框架立柱,釋放應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)荷載在帽桁架和腰桁架間重分配,使結(jié)構(gòu)上下部構(gòu)件內(nèi)力趨于均衡,從而改善結(jié)構(gòu)的受力狀況.由于在施工過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力及對(duì)構(gòu)件施加的約束條件隨施工進(jìn)程而改變,且上掛下托前后結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)差異很大.為保證結(jié)構(gòu)施工安全,需進(jìn)行合理的施工模擬分析.1施工模擬方法和模型1.1框架立柱和兩組斜截面的安裝北京電視中心綜合業(yè)務(wù)樓為筒狀對(duì)稱結(jié)構(gòu),平面布置分為4區(qū),其中1區(qū)1~20層結(jié)構(gòu)正、側(cè)立面布置見圖3.其中,(H_1)、(P_1)為L(zhǎng)型巨型柱軸線,(25)、(29)為前后兩排框架軸線,(H_2)~(N_1)分別為前排框架立柱(1~5)和后排框架立柱(1A~5A)軸線,CD1~CD17為應(yīng)力較大點(diǎn)位置.施工時(shí),鋼結(jié)構(gòu)安裝順序?yàn)?首先進(jìn)行6、7層腰桁架及其下掛部分(3~5層)整體提升、安裝;對(duì)于8~19層框架結(jié)構(gòu),按每?jī)蓪右还?jié),安裝柱、梁、板,最后安裝20層帽桁架.1~20層鋼結(jié)構(gòu)安裝和17層以下混凝土樓板澆注施工完成后,在第12層逐步切斷框架立柱,實(shí)現(xiàn)上掛下托,依次為切斷柱1、5,切斷柱1A、5A,切斷柱2、3、4,切斷柱2A、3A、4A.上掛下托實(shí)施前,12~19層的鋼框架僅與L型巨型柱螺栓連接,12層以下結(jié)構(gòu)與L型巨型栓焊連接.20層桁架安裝完成后,與L型巨型柱栓焊連接.施工過程中,結(jié)構(gòu)主要承受鋼結(jié)構(gòu)及混凝土樓板自重及第20層上施工臨時(shí)荷載260t.1.2有限元模型及有限元模擬通常的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析是在結(jié)構(gòu)整體建成后,一次性加入結(jié)構(gòu)所要承受的全部荷載,即一次加載法,忽略了兩種重要影響因素:①豎向構(gòu)件的豎向位移差對(duì)內(nèi)力結(jié)果的影響;②順序施工引起的分層加載的影響.在結(jié)構(gòu)的實(shí)際建造過程中,結(jié)構(gòu)自重并不是在整個(gè)結(jié)構(gòu)完成后一次加上去的,而是隨施工過程逐層加上.結(jié)構(gòu)在施工過程中逐層承受荷載,并且引起相應(yīng)的內(nèi)力和變形,但這種內(nèi)力和變形不會(huì)影響到尚未建成的上層結(jié)構(gòu),且未建成的上層結(jié)構(gòu)也不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度做出貢獻(xiàn).因而結(jié)構(gòu)在不同的施工階段,具有不同的整體剛度.較為準(zhǔn)確的施工模擬方法為施工加載法,即豎向荷載隨著各樓層的逐漸建成而逐層施加.每次計(jì)算時(shí),在前一次計(jì)算內(nèi)力和變形的剛度矩陣的基礎(chǔ)上增加本層剛度,作為本次計(jì)算剛度矩陣,施加本層荷載計(jì)算,依次迭代.如有N個(gè)樓層,則要形成N次結(jié)構(gòu)剛度矩陣,進(jìn)行N次內(nèi)力分析.其計(jì)算過程如圖4所示.建立結(jié)構(gòu)空間整體有限元模型,形成結(jié)構(gòu)總剛度矩陣后,采用ANSYS的生死單元技術(shù),先將未建造結(jié)構(gòu)單元?dú)⑺?將其剛度矩陣乘以一個(gè)很小的縮減因子1×10-9,同時(shí),單元載荷、質(zhì)量、應(yīng)變和其它分析特性設(shè)為0值.消除未建結(jié)構(gòu)單元對(duì)結(jié)構(gòu)總剛度的貢獻(xiàn)及自重對(duì)結(jié)構(gòu)荷載的貢獻(xiàn).然后按結(jié)構(gòu)實(shí)際施工順序,逐層對(duì)單元進(jìn)行激活,使單元載荷、質(zhì)量、剛度等恢復(fù)其初始值,模擬結(jié)構(gòu)分層建造工況.每激活一次結(jié)構(gòu)單元,計(jì)算一次結(jié)構(gòu)總剛度矩陣,從而對(duì)結(jié)構(gòu)總剛度矩陣逐步修正,同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自重逐層施加的模擬.在全部單元激活后,再依次殺死“上掛下托”實(shí)施過程中切斷的立柱單元.模擬計(jì)算共設(shè)13個(gè)荷載步,每一荷載步求解過程中,均考慮了構(gòu)件豎向變形和施工找平對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響.1~9步按每?jī)蓪右还?jié)的實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)安裝工序劃分,模擬鋼結(jié)構(gòu)安裝、加載過程,10~13步按切斷立柱工序劃分,模擬結(jié)構(gòu)“上掛下托”過程.1.3有限元模型建立依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況建立有限元模型,幾何模型采用構(gòu)件實(shí)際尺寸,“上掛下托”方案實(shí)施過程中,3~20層的結(jié)構(gòu)主體受影響最大.結(jié)構(gòu)對(duì)稱,加載情況亦對(duì)稱,根據(jù)其對(duì)稱性,建立(H-1)~(P-1)、(25)~(29)區(qū)1~20層結(jié)構(gòu)的有限元模型.把鋼結(jié)構(gòu)中的栓焊結(jié)點(diǎn)視為剛接,模型中通過對(duì)相鄰單元同位置節(jié)點(diǎn)的全部平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)自由度耦合實(shí)現(xiàn)模擬;把栓接結(jié)點(diǎn)視為鉸接,模型中僅耦合相鄰單元同位置節(jié)點(diǎn)平動(dòng)自由度.模型中采用beam4單元模擬鋼框架和鋼桁架,通過其對(duì)單元實(shí)常數(shù)的不同定義,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同截面梁的定義,采用shell63單元模擬混凝土樓板.對(duì)兩側(cè)巨型L柱施加剛性約束邊界條件.鋼框架采用Q345鋼,其屈服強(qiáng)度為345N/mm2,鋼材密度為7800kg/m3,鋼材彈性模量為2.1×1011Pa,泊松比為0.3.鋼筋混凝土樓板其密度為2500kg/m3,彈性模量為3×1010Pa,泊松比為0.2.單元總數(shù)11514,結(jié)點(diǎn)總數(shù)10141.2構(gòu)件應(yīng)力分析模擬計(jì)算中,1~9荷載步計(jì)算結(jié)果為鋼結(jié)構(gòu)在常規(guī)安裝工藝下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài),其中,第9步為鋼結(jié)構(gòu)安裝完成時(shí)各點(diǎn)應(yīng)力值.10~13荷載步計(jì)算結(jié)果為鋼結(jié)構(gòu)在“上掛下托”實(shí)施時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài).從計(jì)算結(jié)果中,選擇了17個(gè)受力較大部位CD1~CD17的軸向、剪切、彎曲應(yīng)力結(jié)果,分別如圖5~7所示.對(duì)于1~9荷載步,在圖5中表明下層結(jié)構(gòu)的荷載對(duì)上層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力沒有影響,在圖6、7中表明下層構(gòu)件的應(yīng)力隨樓層的增加而增大.10~13荷載步,隨著框架立柱被逐步切斷,12~20層結(jié)構(gòu)自重逐步由腰桁架向帽桁架轉(zhuǎn)移,圖5表明帽桁架應(yīng)力逐漸增大,圖7表明腰桁架應(yīng)力逐漸減小,上下層桁架的受力較原來更加均衡,整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)得到明顯改善,“上掛下托”的意圖得到充分實(shí)現(xiàn).施工過程中構(gòu)件應(yīng)力變化路徑與施工工序密切相關(guān),上掛下托時(shí),應(yīng)力變化曲線受立柱切斷順序影響,這在框架立柱應(yīng)力圖7中表現(xiàn)尤其明顯,當(dāng)立柱被切斷時(shí),柱內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)突變.上下兩層桁架為主要承重結(jié)構(gòu),桁架桿件(特別是兩側(cè)斜撐桿件)受力較大,其在“上掛下托”實(shí)施過程中桿件內(nèi)的應(yīng)力變化也較大.整個(gè)過程中,結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力較大,應(yīng)力變化幅度也較大,結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力較小,變化幅度也小.3施工過程模擬與監(jiān)測(cè)(1)采用單元生死技術(shù),多載荷步求解,可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度矩陣逐步修正,結(jié)構(gòu)自重分層加載,從而實(shí)現(xiàn)一次建模,施工全程模擬.(2)在施工過程中,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化路徑與施工工序密切相關(guān),通過施工模擬確定結(jié)構(gòu)