預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系中有限元模擬+試驗引路技術(shù)

賈海波，郭 寧，王 超，王云升

（中建八局第二建設(shè)有限公司，山東 濟南 250014）

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于人們對建筑造型的個性、辨識度要求日益提高，新穎造型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)層出不窮，從而形成設(shè)計卓越，施工困難的局勢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工中無法通過施工經(jīng)驗進行結(jié)構(gòu)受力分析，鋼拉桿材料制作技術(shù)的提高以及預(yù)應(yīng)力鋼拉桿張拉施工技術(shù)日益成熟，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外大型工程項目中得到廣泛應(yīng)用，有限元模擬與試驗引路可操作性強，成本低，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)出具施工方案有較大指導(dǎo)意義，本工程采用有限元軟件施工全過程模擬，并經(jīng)現(xiàn)場試驗施工驗證，順利完成預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系的施工任務(wù)。

1 工程概況

國內(nèi)某項目為預(yù)應(yīng)力鋼拉桿懸掛螺旋鋼結(jié)構(gòu)坡道鋼結(jié)構(gòu)體系，體系主要包含：直徑為44.8m、安裝傾斜角度為8.5°、高度為3m的圓形傾斜管桁架、寬3m、總長度約280m、重約205t室外螺旋形鋼結(jié)構(gòu)坡道、64根直徑為40mm、屈服荷載不小于816KN的預(yù)應(yīng)力鋼拉桿，鋼結(jié)構(gòu)體系總重計約679.43t，材質(zhì)均為Q345B。屋面標高31.1米，項目地面以上觀景螺旋鋼結(jié)構(gòu)坡道采用預(yù)應(yīng)力拉桿懸掛結(jié)構(gòu)。該懸掛拉桿結(jié)構(gòu)不同于一般拉桿結(jié)構(gòu)，除兩端張拉固定外，拉桿中間還需要支撐坡道鋼梁，體系內(nèi)鋼拉桿不但需要承受坡道豎向集中荷載，拉桿體系還需要承受坡道橫向荷載，并需要一定的剛度以滿足水平變形要求。此外，鋼拉桿上端為懸挑鋼屋蓋結(jié)構(gòu)，下端為混凝土結(jié)構(gòu)，邊界支承結(jié)構(gòu)的剛度有限，屋蓋與鋼拉桿之間受力相互影響，需要對懸掛坡道的豎向支撐構(gòu)件-鋼拉桿進行細致的受力研究。

經(jīng)查詢，因為該結(jié)構(gòu)體系為國內(nèi)首次應(yīng)用，無規(guī)范及施工先例可借鑒，屋面管桁架傾斜放置，螺旋形鋼結(jié)構(gòu)坡道坡度存在不均勻變化，預(yù)應(yīng)力鋼拉桿張拉過程整個結(jié)構(gòu)存在彈性形變，同步張拉困難，鋼拉桿與鋼結(jié)構(gòu)坡道連接節(jié)點難處理，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度較大，項目提出有限元模擬+試驗引路技術(shù)指導(dǎo)施工。

2 技術(shù)實施部署

2.1 工藝簡介

本工程施工階段采用Midas civil有限元分析軟件，對施工全過程進行受力、變形模擬分析，其中鋼結(jié)構(gòu)采用梁單元，鋼拉桿采用桁架單元.，全模型節(jié)點共計2414，單元共計5307個。預(yù)應(yīng)力鋼拉桿施工采用“對稱分組分級”方式模擬現(xiàn)場施工。根據(jù)軟件分析進行現(xiàn)場試驗施工，對試驗?zāi)Ｐ筒贾脩?yīng)力監(jiān)測點，通過試驗施工應(yīng)力檢測與模擬數(shù)據(jù)對比指導(dǎo)實際施工方案。

圖1 試驗施工模型圖

2.2 工藝原理

在實體施工前采用有限元分析軟件對整個結(jié)構(gòu)體系進行模擬施工分析，并將實體施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行對比，確保施工過程與原設(shè)計思路一致。使用有限元軟件按照施工設(shè)想施工階段劃分，模擬安裝屋蓋管桁架、千斤頂對稱模擬張拉安裝鋼拉桿，直到接近設(shè)計預(yù)緊力（頂240kN，底200 kN），這樣做的目的是使鋼拉桿在安裝螺旋鋼結(jié)構(gòu)坡道之前，使鋼拉桿完成變形，保證轉(zhuǎn)梯安裝平順，螺旋鋼結(jié)構(gòu)坡道模擬安裝，軟件調(diào)索使鋼拉桿內(nèi)力逼近設(shè)計值。

根據(jù)軟件輸出數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場試驗施工，特別是預(yù)應(yīng)力鋼拉桿張拉模擬，能夠直觀的、更貼切現(xiàn)場施工，對出具施工方案具有指導(dǎo)意義。

2.3 具體流程

確定模擬計算環(huán)境→設(shè)定模擬邊界條件、模型荷載分析→屋面管桁架受力分析→分步、分級對稱張拉模擬→每步張拉施工結(jié)構(gòu)體系受力、形變分析→鋼結(jié)構(gòu)螺旋坡道施工模擬→模擬完成受力分析→試驗施工施工檢測點布置→試驗安裝→分級對稱張拉→鋼拉桿及屋面管桁架受力分析。

2.4 工藝說明

2.4.1 屋面管桁架模擬安裝

圖3 立面?zhèn)鞲衅髁⒚娌贾脠D

利用Midas在建立完整的屋面管桁架模型，分析屋面管桁架安裝完成后最大形變值與受力情況。在自重條件下管桁架最大變形在4mm。最大等效應(yīng)力43MPa。

圖2 屋面管桁架模型圖

2.4.2 預(yù)應(yīng)力鋼拉桿模擬張拉施工

為更好分析鋼拉桿在張拉過程中整個結(jié)構(gòu)整體受力變化，每4根鋼拉桿為一組由外側(cè)鋼拉桿至內(nèi)側(cè)依次進行模擬對稱張拉，張拉過程中張拉制力為280KN，分16步完成張拉。

在張拉過程中使用軟件進行應(yīng)力分析，由多次模擬發(fā)現(xiàn)，進行外側(cè)預(yù)應(yīng)力張拉調(diào)整時，內(nèi)側(cè)鋼拉桿會損失應(yīng)力值，對內(nèi)外側(cè)鋼拉桿進行4次應(yīng)力調(diào)整后，底部與頂部同時分別達到200KN與240KN，然后進行螺旋形鋼結(jié)構(gòu)坡道模擬安裝，采用9批次對稱安裝螺旋坡道，安裝完成后進行最終張拉調(diào)整，模擬中每臺千斤頂平均每臺設(shè)備張拉52次。

2.4.3 預(yù)應(yīng)力鋼拉桿模擬張拉受力級形變分析

在第一次整體張拉完成之前，預(yù)應(yīng)力鋼拉桿每一步張拉過程中及張拉完成后，利用軟件全程對屋面管桁架、預(yù)應(yīng)力鋼拉桿與螺旋形鋼坡結(jié)構(gòu)道連接節(jié)點的應(yīng)力與變形進行詳細分析。

經(jīng)軟件受力分析發(fā)現(xiàn)外側(cè)張拉與內(nèi)測張拉過程中會損失應(yīng)力，需要進行調(diào)索，每一步調(diào)索過程中對應(yīng)力進行全程檢測，直到最終張拉結(jié)束。

2.4.4 現(xiàn)場模擬施工

根據(jù)該建筑的鋼結(jié)構(gòu)的受力特點及計算分析所得到的鋼構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律及數(shù)據(jù)，分層分標高布置應(yīng)力監(jiān)測點。

明確現(xiàn)場張拉順序每一步張拉施加荷載時間，根據(jù)每一步張拉中各拉桿的應(yīng)變曲線對比圖，分析拉桿的上、中、下三段的應(yīng)力變化曲線趨勢，應(yīng)力值分布趨勢，分析在桿件張拉到位固定并拆除張拉設(shè)備后，拉桿的應(yīng)力值變化趨勢。拉桿張拉過程中，監(jiān)測其余未張拉拉桿應(yīng)力變化。

計算各鋼拉桿的最終拉應(yīng)力平均值，根據(jù)模擬計算結(jié)果，分析加載后的最終拉應(yīng)力值。與模擬施工數(shù)據(jù)偏差，是否小于Q345鋼材的限值305MPa，通過分析加載的總荷載值達到設(shè)計的要求，所監(jiān)測的鋼構(gòu)件的應(yīng)力值基本處于Q345的限值305MPa范圍內(nèi)，對實際施工起指導(dǎo)作用。

根據(jù)有限元模擬+試驗引路技術(shù)保證施工效果能夠滿足設(shè)計要求，在實體施工前經(jīng)過有限元軟件受力分析模擬完成后，現(xiàn)場進行張拉實驗段施工，并根據(jù)需求現(xiàn)場進行試驗段施工，特點為全過程模擬施工能夠完整的展示施工全過程結(jié)構(gòu)受力與主要受力結(jié)構(gòu)變形情況，能夠直觀的了解結(jié)構(gòu)受力發(fā)生的形變，對施工制定方案有借鑒性，試驗施工彌補根據(jù)有限元軟件全過程的施工模擬以及受力分析中的說服性不足。

3 結(jié)語

通過采用有限元模擬+試驗引路技術(shù)，解決了本工程復(fù)雜體系鋼結(jié)構(gòu)遇到的施工技術(shù)難題，在保證工期的情況下，可加快施工效率、降低材料損耗，達到了降耗增效、環(huán)境保護、增加經(jīng)濟效益的效果，提升了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工的技術(shù)水平，為今后預(yù)應(yīng)力鋼拉桿設(shè)計的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同時對于類似預(yù)應(yīng)力鋼拉桿懸掛鋼結(jié)構(gòu)體系亦有很強的借鑒經(jīng)驗?！?/p>