屋顶飘带彩带结构施工方案的数值模拟分析

屋顶飘带彩带结构施工方案的数值模拟分析

1结构体系及安装杭州国际博览中心是杭州奥体博览的重要组成部分。屋顶的倾斜结构如图1所示。，全球由自由曲线网架、支持彩带和支撑刚架组成。其中,作为主要支撑结构的两条彩带拱采用宽2.0m、高0.95m的矩形截面,如图2所示,刚接在44.00m标高的主体结构上,两条彩带总重约为1453t,长度分别约为231m和227m,间隔72m,最高点标高75.5m。该支撑结构规模较大,形式复杂,且在屋顶施工,在国内少有类似结构的应用实例。施工的先后顺序以及卸载方案对施工过程中结构的稳定性和施工完毕后结构的位移、构件的内力等有较大影响。有必要对施工过程进行数值模拟分析,验证施工方案的可行性与可靠性。2结构施工模拟施工模拟,本质上是一种分阶段变刚度分析方法,即通过修改构件的刚度矩阵来决定其是否参与计算,实现构件的安装拆除模拟。计算针对结构实际施工的每一个阶段,对每一阶段状态下的结构施加阶段荷载,每一阶段的初始状态均为前一阶段的结束状态,通过计算分析实现对结构实际施工过程的模拟。研究表明,结构竣工状态的内力和变形是各施工步效应累积的结果,与施工过程和时间效应密切相关。而传统的一次性加载,无法考虑施工过程及时间效应的影响,也无法对施工过程形成指导,因此考虑时间效应的分析和计算就显得尤为必要。在现代大型结构的施工技术中,施工之前对施工方案进行计算机仿真、模拟已经成为一种节约经济成本、避免施工事故的新兴施工技术。这对于保证结构施工过程的安全性及合理性具有重要的理论意义和实际价值。而随着有限元软件的普遍应用,用“生死单元”模拟施工过程已逐渐成为一种相对简单而又有效的方法。3节省准备过程的模拟分析3.1彩带厚度对于大跨空和小跨件支撑2条彩带施工过程中分别设置了5片临时支撑,每一片临时支撑都由相应预制好的区段组装而成。根据彩带高度不同,各支撑格构柱的长度也不同。因为临时支撑的水平支撑杆件对于施工过程中彩带的变形和内力影响不大,建模时忽略了水平支撑的影响。另外,因为2条彩带长度不同,下部临时支撑格构柱个数也不同,东西2条彩带下分别设置了23,22个格构柱作为临时支撑。为避免施工时彩带拱可能产生的横向倾覆问题,在与门式钢架连接的同时,在2条彩带第4,8,9个临时支撑柱处分别设置了3个横向的临时斜撑。3.2施工仿真模型根据杭州国际博览中心飘带结构施工设计图,采用大型通用有限元软件ANSYS对2条彩带拱结构的拼装和卸载施工全过程进行建模分析。其施工仿真模型主要包括两部分:门式刚架与临时支撑施工模型、彩带拱施工模型。根据结构构件的受力特点,整个彩带拱结构杆件和下部临时支撑杆件均采用beam188单元进行模拟,该单元具有应力刚化、弹塑性、大变形和单元生、死等功能,符合结构受力特点、满足施工仿真要求。建模时对临时支撑格构柱截面进行了等效处理。3.3彩带顺序安装难根据临时支撑设置形式和现场实际情况,施工时将东西两条彩带分别分为27段和26段。进而将整个拼装过程分为27个施工步骤。施工时,先安装好门式刚架和临时支撑,之后同时对2条彩带从北至南依次顺序吊装。但是对于2条彩带结构的第4~7段,由于下部临时支撑和支座数目之和少于彩带的分段数,此处顺序安装会造成第5段彩带完全处于临时的悬臂状态,将产生较大位移和较大结构内力。因此对于第4~7段彩带结构拼装施工顺序进行局部调整,局部改为从北至南反顺序依次安装,即在安装完第3段彩带后,先安装第7段彩带,接着安装第6,5,4段彩带,之后的其他施工步正常顺序进行。3.4风荷载作用下的协同转导工根据以上施工方案,利用ANSYS单元生死技术对拼装施工全过程进行跟踪模拟计算,根据模拟分析计算结果,得到了关键施工步彩带结构的变形,杆件应力以及施工控制关键点的位移情况。在彩带结构拼装施工过程中,上部飘带网架尚未安装,所以结构所受到的竖向荷载相对并不大,结构的稳定问题相对并不突出。但是结构自身高度较大,彩带箱形截面高度也较大,因此在拼装施工过程中,彩带结构的横向倾覆问题成为了施工过程中必须要重视的问题,所以对施工过程中结构受到的水平风荷载必须加以考虑。根据设计文件,取基本风压为0.5kN/m2,对此风荷载作用下的彩带拼装施工过程进行跟踪模拟,提出了彩带施工过程中考虑风荷载作用时关键施工步结构的水平位移情况。对模拟分析结果进行统计分析,图3给出了彩带拱结构在拼装施工全过程中,无风荷载作用时产生的最大竖向位移变化曲线,以及在风荷载作用下结构的水平向最大位移变化曲线。图4则给出了拼装施工全过程中,彩带拱结构所有杆件中产生的最大应力随施工步的变化曲线。拼装施工全过程分析结果表明,彩带支撑在拼装施工过程中产生的最大竖向位移为6.8mm,最大应力为8.3MPa,在横向风荷载作用下的最大水平向位移为9.7mm。同时提取出各支撑顶点处关键点在施工过程中的三向位移情况,以便对结构的实际施工进行监测和控制。根据整个施工过程的模拟分析结果,可以发现,彩带支撑在整个拼装施工过程中的最大应力和最大位移均出现在结构施工的第3步。在安装第3段支撑彩带时,由于彩带末端离所设置的临时支撑距离较远,因此在第3段彩带安装完毕而第4段彩带安装之前,整个第3段彩带临时处于悬臂状态,所以产生了较大的结构应力和位移。且受支撑布置形式的限制,此悬臂状态不能通过改变施工顺序加以避免,但该最危险状态下的结构应力和位移均能满足施工安全要求。而在考虑风荷载作用时,在彩带每一拱段的最高处,产生了较大的水平位移,且最大位移产生在施工过程的第4,5步,但受门式刚架和水平向斜撑约束,所产生的位移相对并不大,均在规范允许范围之内。4负载施工过程的模拟分析4.1条彩带的装卸每条彩带结构分别从北向南依次有5个拱段,相应有5个拱顶(将彩带最南端也算为一个拱段),东、西2条彩带下分别设置了23,22个临时支撑格构柱。卸载时,选择从北至南分拱段依次卸载,从每一拱段的拱顶开始,向该拱段两边卸载,即结构从北向南,每一拱段从中间向两边卸载,2条彩带同时同步进行。为方便说明,定义每个拱段中间最高支撑为中柱,中柱两边两根支撑为次中柱,次中柱外两根较矮支撑为边柱。卸载时,每一拱段按中柱-次中柱-边柱的顺序进行卸载。根据2条彩带结构在不同位置下部支撑的每级卸载长度,将2条彩带的卸载施工过程分为21个施工步骤。因为各位置支撑达到完全卸载时的卸载长度不同,因此各支撑卸载分级不同。通过试算得出每一支撑卸载完全时所需达到的长度,结果表明,2条彩带最南端8根支撑卸载长度较长,卸载时按相应支撑卸载完全所需长度的30%,70%,100%分3级进行卸载。其余各支撑卸载完全时所达长度较短,均在10mm之内。其中卸载总长度在5mm之内的支撑,一次性卸载完毕,卸载长度在5~10mm的,均分为两级进行卸载,即按50%,100%卸载完毕。4.2彩带结构卸荷过程中的应力利用ANSYS单元生死技术对彩带结构卸载施工全过程进行跟踪模拟计算,根据模拟分析结果,得到了关键施工步彩带结构的变形、杆件应力以及施工控制关键点的位移情况。对模拟分析结果进行统计分析,可得到彩带结构三向最大位移和杆件最大应力在卸载施工过程中的变化情况。图5给出了彩带拱结构在卸载施工全过程中产生的x,y,z三向最大位移变化曲线。图6为在卸载施工过程中,彩带结构所有杆件中产生的最大应力随施工步的变化曲线。施工全过程分析表明,彩带结构在卸载施工过程中产生的x向最大位移为6mm,y向最大位移为17.1mm,z向最大位移为48.9mm,最大应力为59.2MPa。其中,x向最大位移产生在卸载到彩带支撑标高最高时。而y向、z向最大位移均产生在卸载到第4拱段末和进行第5拱段卸载时,此处一是由于卸载到最后剩余支撑受力较大,二是由于该端部支撑有较大悬挑,造成了卸载时产生的位移也较大。从分析结果也可知,彩带结构卸载时产生最大应力也发生在卸载到第4拱段末和进行第5拱段卸载时,其原因和产生x,z向最大位移原因相同。但此阶段的结构应力和位移均能满足施工安全要求。同时提取出各施工关键点在施工过程中的三向位移情况,以便对结构的实际施工进行监测和控制。5彩带拼装施工过程跟踪模拟1)根据现场实际情况和施工进度安排,制定了彩带形拱结构施工时所采用的临时支撑方案以及拼装和卸载施工方案。2)根据现有施工方案,利用ANSYS生死单元技术对支撑彩带拼装和卸载施工的全过程(共48个施工阶段)进行了跟踪模拟,分析表明,对于所给施工方案,结构在施工全过程