广东科学中心E区大跨度钢结构施工模拟分析

广东科学中心E区大跨度钢结构施工模拟分析

张建林,󰀁易󰀁和,󰀁邓󰀁浩,󰀁蔡󰀁健,󰀁张季超,󰀁刘󰀁晨

(1广东科学中心,广州510006;2广东省建筑科学研究院,广州510500;3华南理工大学,广州5101;4广州大学土木工程学院,广州510006)

1

1

2

3

4

4

*

[摘要]󰀁广东科学中心由于主体采用钢结构形式,跨度较大,施工的先后顺序对施工过程中结构的稳定性和施工完毕后结构的位移、构件的内力有较大的影响。有必要寻找一种通用、可靠的计算方法来提高施工分析的效率与精确性,确保计算结果能切实有效地指导实际工程施工。E区为的结构体系,结合施工条件,制定了一整套完整的施工方案,并采用有限元软件ANSYS对该区结构施工方案进行了模拟计算分析,确定在施工过程中各控制监测点的应力值与挠度值,得出整个工程中的关键工况。监测结果证实了该施工方案的可行性和可靠性,也表明利用通用有限元软件ANSYS对大跨度结构进行施工模拟是高效的,可为工程施工提供科学依据。[关键词]󰀁广东科学中心;施工模拟;生死单元法;大跨钢结构;关键工况

Simulationcalculationforconstructionofthemega󰀁steelstructureofGuangdongScienceCenter

112344

ZhangJianlin,YiHe,DengHao,CaiJian,ZhangJichao,LiuChen

(1GuangdongScienceCenter,Guangzhou510006,China;2GuangdongInstituteAcademyofBuilding,Guangzhou510500,China;3SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou5101,China;4SchoolofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China)Abstract:Thesequenceofconstructionhasimportantinfluenceonthestabilityofthemega󰀁steelstructureofGDSCEareaduringconstruction,andthefinaldisplacementandmemberinternalforceofthestructure.Ageneralandreliablemethodwasexploredtoimprovethecalculativeefficiencyandprecisionduringtheconstructionanalysistoensuretheanalysisresultsandtoguidethepracticalconstruction.Accordingtotheconstructioncondition,acompleteconstructionplanwasdesigned,whichwassimulatedwithANSYSfiniteelementprogramme,andprovedbythedetectionresultsitisfeasible,reliableandefficient.Thecontrolofstressvalue,deflectionspotandcriticalconditionweredeterminedintheconstructionprocess.

Keywords:GuangdongScienceCenter;constructionsimulation;birthanddeathelement;mega󰀁steelstructure;criticalcondition

0󰀁引言

广东科学中心巨型钢框架结构具有大跨度、大高

差、变曲率和造型复杂等特点,其中E区为的结构体系,其主体结构为巨型框架钢结构,主桁架跨度及其悬挑长度在50m左右,三维视图如图1所示,为空间高次超静定结构。由于巨型结构理论尚不成熟,使得人们对巨型框架模拟施工过程的分析有很大的困难,在国内外研究成果较少,而且其研究结果大多是比较零散的半经验性值,而巨型复杂钢框架结构的施工过程较长,其作用荷载以及边界条件等都在不断变化。因此对其施工进行全过程、全方位、信息化的模拟分析尤为重要1󰀁施工方案设计

[1]

图1󰀁E区三维图

。

主框桁架及桁架间支撑󰀂层2钢柱及柱间支撑󰀂层3柱间主框桁架及桁架间支撑󰀂层3钢柱及柱间支撑󰀂层2,3次桁架间的次梁、支撑安装及桁架外侧的悬挑桁架、次梁、边梁、支撑󰀂船头部位的悬挑桁架。

*广东省科技计划项目(2004B10101048),(2006B37301009),(2005A11601014);建设部科技计划项目(2005󰀁K1󰀁48),(2006󰀁K3󰀁01),(2007󰀁K3󰀁09)。

作者简介:张建林(1961󰀁),学士,高级工程师,Email:jsb84722230@163.com。

监测工作在进行方案设计及选择方法时,充分考虑了施工方案,力求监测结果能够贴近实际施工过程,以保证为工程提供有益的帮助和指导。根据E区的结构形式,施工安装分两个阶段进行。

(1)第一施工阶段以层3楼面为界,一次安装完成层1,2钢柱,层2,3的H型桁架结构和屋顶管桁架以下的层3钢柱。第一施工阶段的施工顺序:层2柱间

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(2)第二施工阶段为屋面管桁架的安装。此阶段的安装要待土建完成层2,3楼板混凝土浇捣后进行。第二施工阶段的施工顺序:柱间主桁架󰀂主桁架间的次桁架󰀂主桁架外侧的悬挑桁架󰀂船头部位的悬挑桁架及主檩条。2󰀁

施工模拟计算方法

采用了大型通用有限元软件进行施工模拟计算,计算模型建立的原则为:1)采用了空间杆单元beam188;2)不考虑详细节点状况;3)不考虑焊接残余应力;4)所考虑的荷载包括钢结构杆件和节点自重以及施工荷载。材料的属性为:钢材采用Q345,弹性模量E=2󰀂1 105N󰀁mm2,泊松比=0󰀂2,质量密度=7800kg󰀁m3。施工恒载为3󰀂5kN󰀁m2(层2,3楼面)和1kN󰀁m2(屋顶);施工活载为2kN󰀁m2(层2,3楼面)和0󰀂5kN󰀁m2(屋顶)。并运用生死单元法按照上述施工步骤进行了施工过程的模拟计算分析。3󰀁

施工模拟分析模型

E区的施工仿真分析在建立分析模型时对施工方案进行了充分的研究,所建立的仿真模型基本上能反映实际的施工过程。

此外,由于施工过程的复杂性,在仿真分析中,不可能对施工过程进行实时模拟,只能对其主要阶段和关键工序进行仿真分析。事实上主要阶段和关键工序的分析结果已经基本可以完整地反映其应力、挠度在施工过程中的变化,满足工程实践的需求[2]。具体工况分析和施工模型详见表1及图2。

󰀁󰀁󰀁

工况1

展厅E区工况分析

荷载作用N󰀁A

施工状态层1,2柱,层2

主桁架吊装前

表1

分析模型

2

计算层1柱、层1柱间桁架和层2柱

层1,2柱,层2

安装完毕后在重力荷载下的变形及

主桁架吊装后

应力

计算工况2+楼面施工活荷载(2kN󰀁层3主桁架吊2

m)下的变形及应力装前计算层1,2,3柱和层1,2柱间桁架安装层3主桁架吊完毕后在重力荷载下的变形及应力装后计算在工况4的基础上,安装了层2,

层2,3次桁架

3次桁架水平支撑和竖向支撑后在重

吊装后

力荷载下的变形及应力

计算在工况5的基础上安装层2,3次

层2,3桁架间

桁架间支撑后在重力荷载下的变形及

支撑安装后

应力

计算在工况6的基础上安装船头部分

船头吊装前

后的变形及应力

计算在工况7+层2,3楼面恒荷载

层2,3混凝土

(3󰀂5kN󰀁m2)+层2,3楼面施工活荷载

浇注完

(2kN󰀁m2)下的变形及应力计算在工况8的基础上安装船头部

船头吊装后

分后的重力荷载

1

34

12

53

63

74

85

95

计算在工况9基础上在屋顶施加

安装好全部屋

101kN󰀁m2施工恒荷载+0󰀂5kN󰀁m2施工

顶结构后

活荷载后的变形及应力计算整个结构在设计荷载下的(层2,3楼面恒荷载设计值设为5kN󰀁m2,屋安装好屋面板,11面不变;层2楼面活荷载设计值为整个结构全部

10kN󰀁m2,层3楼面活荷载设计值为完成6kN󰀁m2,屋面不变)变形及应力󰀁󰀁注:表中的荷载值均为标准值;分析模型见图2。

6

6

构的内力、位移是否在正常范围,模拟结束时结构构件的内力、位移与实际监测的差异是否满足设计要求[3]。4󰀂1施工模拟所得值与实际监测的结果对比

E区重要节点空间位置监测测点,包括各层下弦及船头平面和屋面及屋面斜撑平面测点的布置如图3,4所示。

施工模拟结束时,E区的最大挠度计算值为132󰀂43mm,实际监测的挠度最大值为14󰀂6mm。可以看出,各区最大挠度计算值与监测值均未超出规范的规定与要求。但是计算值与实测值相差比较大,这是因为在

图2󰀁分析模型图

4󰀁

计算结果分析

施工模拟计算结果的主要关注点为:施工过程中结

图3󰀁E区各层下弦及船头

测点平面布置

图4󰀁E区屋面与斜撑测点平面布置

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图5󰀁部分关键点施工模拟计算与实际监测到的应力曲线图

计算过程中,有限元模型对构件及边界条件等均进行了简化,采取了众多假定条件,造成测量值要远远小于计算值,但是有限元仿真计算值对监测方案的制订、测点的选择与布置以及后期数据的处理与分析等仍然具有无可替代的重要意义。因此,结构变形监测的前期仿真分析工作与后期的现场监测工作缺一不可。

E区部分关键点(即图3,4所示各点中具有代表性的关键点)施工模拟计算结束时与实际监测到的构件内力对比见图5。图中1号点为E1󰀁1与E1󰀁2所测应力的平均值,以此类推2号点为E1󰀁3与E1󰀁4所测的应力值,3号点为E1󰀁5与E1󰀁6所测的应力值,4号点为E1󰀁7与E1󰀁8所测的应力值。上述各点有限元模拟计算与实际监测内力的对比表明,施工模拟计算与实际监测的结果相差不大,对于结构最终的设计强度影响较小,说明设计的施工方案是合理的。4󰀂2施工模拟过程关键工况计算分析

E区第8工况是层2,3混凝土浇筑完毕,此时结构空间传力体系尚未完全成形,荷载突然比原来增加许多,是监测的关键工况;第10工况为结构完全成形,施工荷载全部加上,此时如果结构应力水平仍然在安全线以下的话,说明整个结构在施工过程中是基本安全的,由此可以看出,第10工况是另一个关键工况。E区结构这两个关键工况的挠度变形图及应力云图见图6,7。5󰀁

结论

通过对广东科学中心E区大跨结构不同施工阶段变形值的实测结果与施工模拟仿真分析结果的对比分析,可以发现计算值与实测值基本吻合;虽然有些杆件

相差较大,主要有两方面的原因:一是有限元分析时,对结构采取了一系列假定,这使得有限元分析与实际结构之间必然存在一定的误差;另外,在实际监测过程中,由于测量方法本身以及施工过程中的一些不可避免的因素的影响,给实际监控结果必然带来一定的影响。但分析结果还是能为评价结构在施工阶段的安全性提供基础数据,指导施工顺利安全进行。

结构施工仿真分析的研究还具有以下意义:1)提出了适合于大跨度复杂空间结构施工安全监控的仿真

图6󰀁E区工况8挠度及应力云图

(下转第56页)󰀁

48

收锤标准以6(8)击总沉降量不大于1300mm(1600mm)为准;最后满夯一遍,低能量,夯击能为800kN!m,挨点梅花形夯打,锤印搭接1󰀁3。

广东科学中心场地软弱土层厚度较大,且表层吹填砂层较薄,采用上述∀逐级加能∀的方式进行夯击,可避免出现∀掉锤#的事故,防止软土结构破坏,且能保证预期的加固效果,这一点也得到了实践证明。5󰀂4工程试验及检测

动力排水固结法施工完成后需进行工程质量检测,以保证施工质量符合设计要求。动静结合排水固结法施工完成后,主要进行了钻孔取样、室内常规土工试验、标准贯入试验、静力触探试验、静载荷试验以及瑞雷波法检测等试验。通过对强夯区瑞雷波、静力触探、静载荷以及标贯和土工参数检测的数据分析可得出如下结论:0~4m土层的土工参数大幅提高,地基承载力特征值约在130kPa以上;4~8m土层的土工参数有一定幅度的提高,地基承载力特征值约在100kPa以上;8~14m土层的土工参数有所加强,大部分钻孔砂土液化已消失,个别钻孔中显示砂土液化由中等󰀁严重改变为不液化󰀁轻微。经动力排水固结法处理后,填土层的自重固结已完成,上部软弱土层的附加固结基本完成,桩上部土层摩阻力可取正值。6󰀁

结语

广东科学中心场地变更设计标高,考虑后期主体(上接第48页)

工程施工的需要,从节约的角度考虑,确定了吹填砂施工设计标高为+6󰀂0~7󰀂0m以及堆土2~3m;提出∀就近处理、因地制宜#的区域环境岩土工程处理思想,同时考虑到场地内平均厚0󰀂5m的淤泥,提出∀吹砂填淤、填土挤淤#的堆载预压处理淤泥技术,并通过施工实践验证了该技术的可行性。在淤泥的处理方面上积累了宝贵经验[7]。在动静分区处理基础上提出以∀少击多遍、逐级加能#为原则的动力排水固结法,加速超孔隙水压力的消散。最终形成了以提高软土地基承载力,降低施工后沉降为目的的动静结合的排水固结技术。

参

考

文

献

[1]易和,张季超.广东科学中心建设与管理研究∃∃∃建筑篇[M].北京:科学出版社,2008.

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[3]广州市地质勘察基础工程公司.广东科学中心地质详细勘察报

告[R].勘察号:190022󰀁KJ.2004.

[4]GB79∃2002建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出

版社,2002.

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[J].广州大学学报,2005,(3).

[8]张季超,曾华健.广东科学中心饱和淤泥质砂土地基预处理技术

的研究与应用[J].广州大学学报,2007,(6).

序,能够跟踪仿真计算出各施工阶段的控制参数,以指导施工的正常进行,达到设计的成型状态;2)通过不同施工阶段实时监测结果与施工模拟仿真分析计算结果的对比、验证和分析,也为评价结构或构件在安装过程中产生的位移对后续构件加工尺寸的影响提供了基础数据,并对空间三维实体模型、深化设计图进行再改进和再完善[4];3)建立的仿真分析方法具有计算工作量小,计算精度高的特点,不仅适用于大跨度复杂空间建筑结构,也可应用于其他复杂空间构筑物的施工监控。

参

考

文

献

[1]易和,张季超.广东科学中心建设与管理研究∃∃∃建筑篇[M].

北京:科学出版社,2008.

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分析方法,采用动态分析法,按照结构施工阶段前后次

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