行政管理服务中心中庭钢屋盖整体提升仿真分析.doc

某管理服务中心中庭钢屋盖整体提升仿真分析
摘要：针对某行政服务中心中庭钢屋盖整体提升具体施工方法和施工流程，在整体提升过程中，中庭钢屋盖的受力与设计状态截然不同。故有必要对中庭钢屋盖进行施工阶段的受力分析，并对中庭钢屋盖做必要的调整，且设计在施工过程中需要使用的支撑构件，确保施工阶段的安全。
关键词：钢屋盖 整体提升 液压千斤顶 钢牛腿 同步控制
1. 工程概况
1.1 整体结构概况
某管理服务中心位于某市东海组团核心区北部，西邻某师范学院新校区，与对岸的石狮在同一轴线上，东临作为旅游和客运码头的后渚港，是一个集教育、医疗、居住、休闲、旅游和商务为一体的现代滨水行政中心。
某管理服务中心总建筑面积为83017m2，长轴（东西向）264.0m，短轴（南北向）102.2m，建筑总高度为43.1m，地下室为1层，地面以上共9层。主体为钢筋混凝土框架剪力墙结构，上覆外挑式钢屋盖以及中部钢结构大幕墙。

图1：某管理服务中心鸟瞰效果图

图2：钢结构分布范围
1.2 钢屋盖概况
中庭钢屋盖平面位置处于2、5号楼及7、8号楼之间，桁架有600mm、1200mm两种高度，底面标高均为14.0m。中庭钢屋盖主要以管桁架为主，中部的穹顶则是H型钢。共有19个支座支承中庭钢屋盖。支座形式为铰支座和滑动支座两种形式。

图3：中庭钢屋盖效果图
1.3 屋盖支座类型
图4：中庭屋盖铰支座类型一 图5：中庭屋盖铰支座类型二

图6：中庭屋盖支座类型三 图7：中庭屋盖铰支座类型四
2.提升技术及流程介绍
2.1提升技术简介
计算机控制液压同步提升技术是一项新颖的构件提升安装施工技术，它采用柔性钢绞线承重、提升油缸集群、计算机控制、液压同步提升新原理，结合现代化施工工艺，将成千上万吨的构件在地面拼装后，整体提升到预定位置安装就位，实现大吨位、大跨度、大面积的超大型构件超高空整体同步提升。
2.2提升流程
控制系统
动力系统
设备布设
试提升
正式提升
结构牛腿安装
提升落放
屋盖校正
准备就绪
检查提升各种状况
提升速度＜6m/h
按程序操作
提升到预定高度
初校
提升就位
提升系统
测控系统

3 中庭屋盖整体提升仿真分析

针对福建某行政服务中心，中庭钢屋盖的具体施工方法和施工流程，在整体提升过程中，中庭钢屋盖的受力与设计状态截然不同。故有必要对中庭钢屋盖进行施工阶段的受力分析，并对中庭钢屋盖做必要的调整，且设计在施工过程中需要使用的支撑构件，确保施工阶段的安全。
3.1计算依据
本设计以《钢结构规范》以及钢结构设计图纸为基本依据。并遵循其它的设计施工规范，在施工模拟过程中，考虑了结构自重以及施工过程中所可能出现的荷载，采用美国大型通用结构分析软件SAP2000进行分析计算。
3.2计算模型与计算荷载
计算模型采用空间三维实体模型；杆件选用两节点，六自由度的frame单元，该单元可以考虑拉（压）、弯、剪、扭四种内力的共同作用。中庭钢屋盖由于位于结构内部，故不考虑风荷载对其的影响。计算过程中仅考虑结构自重和动荷载的影响，将自重乘以1.2的系数来考虑除自重以外动荷载对其的影响。在不同步分析中，考虑提升不同步对结构产生的影响，节点强制位移设为活荷载，在荷载组合中均按1.0系数考虑。
由于屋盖受混凝土牛腿阻挡，在阻挡处均采取回缩或后装部分杆件，并对此区域杆件进行加固处理。最终提升模型如下图所示：
杆件补强

图8：提升模型

图9：分析计算模型
3.3同步提升状况下分析结果
结构在组合UDSTL1（1.2DEAD）下构件所受轴力为最大

图10：结构轴力图（最大压力为186.237KN，最大拉力为148.584KN）

图11：结构剪力图（最大剪力值为22.574KN）

图12：结构变形图
结构最大挠度其值为-36.400mm，该点位于结构中间区域跨中部分。挠跨比小于规范的允许值27600/400=69mm，满足施工的要求。

图13：构件材料应力比

图14：钢构件应力比值柱状图
结构在该种受力状态下，稳定和强度均满足相应规范规程的要求。从应力比云图中可以看出，大部分的杆件应力比不超过0.5，维持在一个较低的水平。故按照本次施工方案施工，不会对结构产生不利的影响，在提升过程中，不变形控制在弹性范围内，不发生不可恢复的变形。
3.4不同步提升状况下分析结果
提升过程中，由于液压千斤顶所受的力不同，在提升中受其它种种因素的干扰，有可能会出现轻微的提升不同步现象。经综合考虑各种因素，对最不利不同步的情况进行分析。选取提升点处结构变形及杆件受力均较大处提升点作不同步分析，最大不同步值考虑为50mm。研究提升不同步对结构的影响程度有多大。结构是否对不同步异常敏感。
结构不同步分析在组合COMB1（1.2DEAD+1.0LIVE）下，结构内力及变形均达到最大值。其中LIVE为节点强制位移，在荷载组合中均按1.0系数考虑。

图15：不同步荷载加载图

图16：结构轴力图（最大轴力为541.150KN）

图17：结构变形图（最大变形为48mm）

图18：结构应力比云图

图19：钢构件应力比值柱状图
通过以上的分析，当结构在不均匀提升的情况下，结构的变形和应力比与同步提升的情况下存在明显的变化，在提升过程中，采取必要的同步提升措施，即可以保证结构在提升过程中的安全。从应力比云图中可以看出，所有杆件应力比值均控制在0.85以下。表明结构在不同步受力状态下，可以保障提升过程的安全性。
4 提升钢牛腿设计
本工程由于有4个提升点位于混凝土剪力墙处，无法设置提升支架，针对现场情况在剪力墙处设置提升钢牛腿。钢牛腿如下所示：

图20：提升钢牛腿

图21：三维效果图 图22：荷载及约束作用

图23：总变形云图 图24：等效应力云图
从钢牛腿节点的变形图可以看出节点的位移都比较小，最大为0.9mm，牛腿具备很强的刚度。可以满足提升过程中变形要求。从牛腿的等效应力云图可以看出，牛腿在提升过程中，主体区应力均控制在屈服强度之内，最大等效应力分布于牛腿根部，节点承载力满足要求。
由于钢牛腿处的提升点，最大提升反力为28.89KN，剪力墙厚度为250mm，混凝土强度等级C30。提升力主要对剪力墙产生一个平面外弯矩26KN.M，经设计复核，在剪力墙容许承载范围内。
5.现场照片

图25：现场钢牛腿 图26：钢屋盖拼装

图27：钢屋盖提升中 图28：钢屋盖提升完成
6.结论
（1）采用计算机液压整体提升技术，合理的设置提升支架、提升牛腿、提升锚具、控制不同步误差及合理加固等因素是实现结构整体提升的关键。
（2）对于本工程中提升钢牛腿、为满足提升需要，在牛腿中部开孔洞，内部肋板布置较为复杂，对此类钢牛腿计算，采用有限元分析，可以全面地把握节点在提升过程中的工作性能。
（3）计算机液压整体提升技术施工方法在某行政管理中心中庭钢屋盖结构中得到应用，经分析表明通过采用合理的施工工艺与技术措施，此施工方法切实可行。

【参考文献】
（1）鲍广鉴，王宏，孙大军.；大面积钢屋盖多吊点非对称整体提升技术；《施工技术》,2004,3月。
（2）鲍广鉴，陈柏全，曾 强；空间钢结构计算机控制液压整体提升技术；《施工技术》，2005年10月。