導語：大廈鋼結構連廊施工過程仿真分析一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

［摘要］采用MIDAS/GEN對某大廈鋼結構連廊施工過程進行了仿真模擬，分析了鋼結構連廊在施工過程中各桿件的應力和變形分布。根據分析結果和施工方案，在鋼結構連廊各關鍵桿件表面安裝了應變和變形測點，以監控其施工過程中結構桿件位置的應力和變形的變化量。監測結果表明，本工程施工過程各桿件應力和變形實測值與理論值較為一致，施工過程鋼結構連廊處于安全狀態。

［關鍵詞］施工監控;數值模擬;鋼結構連廊;大跨度

隨著社會經濟的快速發展，越來越多的大跨度鋼結構不斷應用在新建建筑中。大跨度鋼結構通常需要經過吊裝和多階段拼裝施工。在結構逐步成型的過程中，臨時荷載、邊界條件和結構幾何參數等因素都在不斷變化，結構不斷產生累計附加應力和變形［1－3］。如果在設計階段沒有驗算施工過程結構的承載力或沒有充分考慮其對結構的附加影響，無疑會給鋼結構施工和運營造成一定的風險。因此對大跨度鋼結構進行施工分析和過程監控，確保施工過程中鋼結構體系平穩有序地轉換就顯得尤為重要［2－6］。本文結合某大廈大跨度鋼結構連廊的施工過程，利用MIDAS/GEN軟件對其施工全過程進行了數值模擬分析，并對整個施工過程應力和變形進行了現場監控測試，分析了鋼結構連廊從吊裝到構件安裝全施工過程中結構的應力和豎向變形的變化，為大樓鋼結構連廊施工安全和后期運營維護提供技術參考和依據。

1工程概況

本工程地上11層，地下1層，上部結構由鋼筋混凝土框架－剪力墻結構及鋼結構連廊組成。鋼結構連廊位于結構11層、12層，連廊總跨度為26.5m，由兩榀(1)、(2)軸平面單層鋼桁架、連系鋼梁和上部二層構架層共同組成，鋼連廊所用材料為Q345鋼。本工程大廈如圖1所示，鋼結構連廊立面示意圖如圖2所示。鋼結構連廊施工過程分為鋼桁架吊裝過程和其余構件拼裝過程。吊裝過程主要分為以下四個步驟:起吊前、起吊、就位和臨時固定。起吊前平面鋼桁架垂直立放于地面上，放置枕木于結構底部跨中及(F－1/F)軸中點及(C－1/C)軸中點。準備工作就緒后進行起吊，吊起高度為100～200mm時懸停，檢查索具牢固性和吊車穩定性。經確認無誤后吊車緩慢上升。桁架吊至柱面以上，再用穩定纜繩旋轉桁架使其對準牛腿處，以使桁架就位。將支座孔穿入兩側主體結構過渡板的螺栓內進行初擰，作為臨時固定，上、下弦桿采用安裝螺栓臨時固定連接。構件安裝過程分為以下4個步驟:桁架與主體結構連接、連系鋼梁安裝、構架層安裝和樓板澆筑幕墻安裝。臨時固定步驟結束后，兩榀桁架壁板與主體結構外伸弦桿剛性連接，腹桿與主體結構外伸斜桿焊接，之后將兩榀桁架間的連系鋼梁安裝，再安裝桁架上部及兩側的構架層鋼構件，最后澆筑樓板及安裝幕墻。

2施工過程仿真分析

2.1MIDAS/GEN分析模型

采用MIDAS/GEN進行施工過程模擬，施工步驟根據吊裝及構件拼裝過程共分為7個階段CS1～CS7，將每個階段新增單元定義為一個結構組并通過激活或鈍化來完成結構單元的增減，邊界、結構組和荷載的變化在各個施工階段內激活和鈍化來模擬。本次模擬僅考慮結構自重。梁、柱采用梁單元模擬，樓板采用板單元模擬。起吊前枕木放置位置、起吊過程中的起吊點和臨時固定階段桁架上下弦桿邊界條件均定義為鉸接，鋼桁架與主體結構連接后各柱底部定義為剛接。各施工模擬階段CS1～CS7施工模擬工況見表1所示，施工模擬過程見圖3所示。可以看出，吊裝過程中鋼桁架弦桿應力增量最大值出現在跨中上、下弦桿，為11.9MPa、－10.1MPa，腹桿應力增量最大值出現在兩側斜腹桿中部，均為9.3MPa。鋼結構連廊安裝過程中鋼桁架弦桿應力增量最大值出現在跨中上、下弦桿，為38.5MPa、－35.5MPa，腹桿應力增量最大值出現在兩側斜腹桿中部，為41.7MPa、41.8MPa。鋼結構連廊各桿件應力在吊裝和安裝施工階段遠低于鋼材的屈服應力，桿件應力較大位置位于鋼桁架跨中上下弦桿及兩側斜腹桿中部。

2.2仿真結果

限于篇幅，本文僅給出封頂時CS2、CS3和CS7階段鋼結構連廊的桿件上下表面的應力云圖如圖4所示。考慮到鋼結構連廊主要受力構件為與框架主體結構相連接的鋼桁架，為方便顯示僅截取鋼桁架部分桿件的應力。由于鋼桁架起吊前放置于地面上CS1階段的各桿件應力很小，取CS1階段作為初始狀態用于后續各施工階段應力增量分析。鋼桁架變形仿真模擬分析僅針對吊裝完成后的鋼結構連廊構件安裝階段。CS3臨時固定階段和CS7安裝完成階段鋼桁架變形云圖見圖5所示。可以看出鋼桁架豎向變形最大位置位于鋼桁架跨中，(1)、(2)軸鋼桁架豎向變形增量約為6.92mm、7.32mm。

3施工過程監測

3.1測點布置

施工過程監測應選取在應力模擬值較大位置的桿件來安裝應變傳感器。本工程在兩榀鋼桁架放置于地面上CS1階段時安裝應變傳感器。根據前述的仿真模擬結果，測點主要布置在鋼桁架跨中上、下弦桿及兩側斜腹桿中部，測點具體布置如圖6所示。變形監測采用人工全站儀定期觀測的方式進行，測點布置在鋼桁架下弦桿跨中位置。應變傳感器安裝時先打磨掉鋼結構表面的防腐漆，然后將傳感器導桿兩側的固定塊焊接在鋼結構表面固定牢固。傳感器的安裝和現場走線如圖7所示。

3.2監測數據分析

將不同施工階段CS1～CS7各桿件測點的應變實測值乘以鋼材彈性模量得到各測點的應力實測值如圖8所示，可以看出，本階段性監測期內(1)軸鋼桁架弦桿、腹桿實測應力最大值分別為33.5MPa、36.4MPa，應力增量最大值分別為16.3MPa、27.2MPa;(2)軸鋼桁架弦桿、腹桿實測應力最大值分別為31.5MPa、33.7MPa，應力增量最大值分別為19.0MPa、32.1MPa。連廊變形監測測點的豎向變形實測值通過跨中豎向變形扣除兩端支座變形得到。取鋼結構連廊吊裝完成后臨時固定狀態下的變形作為本階段性監測鋼結構連廊的初始變形(按零變形考慮)。施工階段鋼結構連廊豎向變形實測增量和理論增量的對比情況如圖9所示。數據表明，鋼結構連廊跨中的豎向位移實測值與理論值的整體變化趨勢基本一致，各施工階段的變形實測值與理論值較為接近。

4結論

本文采用MIDAS/GEN軟件建立了該工程的結構有限元模型，并對其鋼結構施工過程進行了仿真分析及監測，得到結論如下:(1)通過施工過程的模擬結果可以看出，鋼桁架在吊裝及安裝過程中上、下弦桿跨中和兩側斜腹桿中部的桿件應力變化較大，應在施工過程中重點監控。(2)安裝過程中鋼結構連廊各桿件的應力實測值與理論值的整體變化趨勢基本一致，多數桿件應力實測值小于理論值;個別桿件應力實測值超出理論值，但差值較小。(3)對比模擬與監測數據可以看出，鋼結構連廊在吊裝、安裝過程中各關鍵桿件的應力變化較為一致，整體應力水平較低且可控，結構目前處于安全狀態。

參考文獻

［1］崔曉強，郭彥林，葉可明．大跨度鋼結構施工過程的結構分析方法研究［J］．工程力學，2006，23(5):83－88．

［2］楊偉．福州海峽國際會展中心鋼桁架施工全過程數值模擬及監控［J］．地震工程與工程振動，2017(05):89－97．

［3］楊春，李鵬麟，熊帥，薛華，等．基于BIM和神經網絡的大跨度鋼屋蓋監測數據解析［J］．華南理工大學學報(自然科學版)，2020，48(09):14－23．

［4］錢稼茹，張微敬，趙作周，等．北京大學體育館鋼屋蓋施工模擬與監測［J］．土木工程學報，2009，42(9):13－20．

［5］蘭春光，董巍，高玉蘭，等．北京大興國際機場南航機庫鋼結構屋蓋整體提升過程的遠程監控技術［J］．建筑施工，2020，42(04):26－28．

［6］孫學根，牛忠榮，方繼，等．安徽霍邱體育館鋼結構屋蓋累積滑移施工法與監測［J］．工業建筑，2017，47(06):125－130．

作者：吳銘昊 單位：福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術重點實驗室