超高层钢结构施工过程数值模拟分析

超高层钢结构施工过程数值模拟分析

北京视听中心综合商业大楼位于42层，地下3层，平面尺寸68.2米62米，建筑高度156.4米。这是一座超高层建筑。其外观如图1所示。该建筑位于一个开放的中厅内，由四个“l”形建筑柱组成。大柱之间用巨大的钢框架连接起来，形成了结构的巨大结构。如图2所示，四个复合巨柱是指由钢柱、钢梁和钢支撑组成的筒结构。大柱梁是指连接6层和7层的大型钢结构框架梁和20层的屋顶梁的钢结构。框架立柱采用管端、箱形和h形截面，主框架梁的上、下、腹部框架采用h形截面。钢结构的点连接主要是螺旋形连接。如采用传统施工工艺,结构下部构件内力较大,变形也大,愈到上部,内力、变形愈小,因而达不到设计要求的受力状态.所以,主体结构2~20层采用“上挂下托”新型施工工艺施工.“上挂下托”即主体钢结构安装完成后,在第12层切断框架立柱,释放应力,实现主体结构荷载在帽桁架和腰桁架间重分配,使结构上下部构件内力趋于均衡,从而改善结构的受力状况.由于在施工过程中结构构件的受力及对构件施加的约束条件随施工进程而改变,且上挂下托前后结构的力学状态差异很大.为保证结构施工安全,需进行合理的施工模拟分析.1施工模拟方法和模型1.1框架立柱和两组斜截面的安装北京电视中心综合业务楼为筒状对称结构,平面布置分为4区,其中1区1~20层结构正、侧立面布置见图3.其中,(H_1)、(P_1)为L型巨型柱轴线,(25)、(29)为前后两排框架轴线,(H_2)~(N_1)分别为前排框架立柱(1~5)和后排框架立柱(1A~5A)轴线,CD1~CD17为应力较大点位置.施工时,钢结构安装顺序为:首先进行6、7层腰桁架及其下挂部分(3~5层)整体提升、安装;对于8~19层框架结构,按每两层一节,安装柱、梁、板,最后安装20层帽桁架.1~20层钢结构安装和17层以下混凝土楼板浇注施工完成后,在第12层逐步切断框架立柱,实现上挂下托,依次为切断柱1、5,切断柱1A、5A,切断柱2、3、4,切断柱2A、3A、4A.上挂下托实施前,12~19层的钢框架仅与L型巨型柱螺栓连接,12层以下结构与L型巨型栓焊连接.20层桁架安装完成后,与L型巨型柱栓焊连接.施工过程中,结构主要承受钢结构及混凝土楼板自重及第20层上施工临时荷载260t.1.2有限元模型及有限元模拟通常的结构计算分析是在结构整体建成后,一次性加入结构所要承受的全部荷载,即一次加载法,忽略了两种重要影响因素:①竖向构件的竖向位移差对内力结果的影响;②顺序施工引起的分层加载的影响.在结构的实际建造过程中,结构自重并不是在整个结构完成后一次加上去的,而是随施工过程逐层加上.结构在施工过程中逐层承受荷载,并且引起相应的内力和变形,但这种内力和变形不会影响到尚未建成的上层结构,且未建成的上层结构也不会对结构整体刚度做出贡献.因而结构在不同的施工阶段,具有不同的整体刚度.较为准确的施工模拟方法为施工加载法,即竖向荷载随着各楼层的逐渐建成而逐层施加.每次计算时,在前一次计算内力和变形的刚度矩阵的基础上增加本层刚度,作为本次计算刚度矩阵,施加本层荷载计算,依次迭代.如有N个楼层,则要形成N次结构刚度矩阵,进行N次内力分析.其计算过程如图4所示.建立结构空间整体有限元模型,形成结构总刚度矩阵后,采用ANSYS的生死单元技术,先将未建造结构单元杀死,将其刚度矩阵乘以一个很小的缩减因子1×10-9,同时,单元载荷、质量、应变和其它分析特性设为0值.消除未建结构单元对结构总刚度的贡献及自重对结构荷载的贡献.然后按结构实际施工顺序,逐层对单元进行激活,使单元载荷、质量、刚度等恢复其初始值,模拟结构分层建造工况.每激活一次结构单元,计算一次结构总刚度矩阵,从而对结构总刚度矩阵逐步修正,同时实现结构自重逐层施加的模拟.在全部单元激活后,再依次杀死“上挂下托”实施过程中切断的立柱单元.模拟计算共设13个荷载步,每一荷载步求解过程中,均考虑了构件竖向变形和施工找平对结构整体刚度的影响.1~9步按每两层一节的实际钢结构安装工序划分,模拟钢结构安装、加载过程,10~13步按切断立柱工序划分,模拟结构“上挂下托”过程.1.3有限元模型建立依据现场实际工况建立有限元模型,几何模型采用构件实际尺寸,“上挂下托”方案实施过程中,3~20层的结构主体受影响最大.结构对称,加载情况亦对称,根据其对称性,建立(H-1)~(P-1)、(25)~(29)区1~20层结构的有限元模型.把钢结构中的栓焊结点视为刚接,模型中通过对相邻单元同位置节点的全部平动、转动自由度耦合实现模拟;把栓接结点视为铰接,模型中仅耦合相邻单元同位置节点平动自由度.模型中采用beam4单元模拟钢框架和钢桁架,通过其对单元实常数的不同定义,实现对不同截面梁的定义,采用shell63单元模拟混凝土楼板.对两侧巨型L柱施加刚性约束边界条件.钢框架采用Q345钢,其屈服强度为345N/mm2,钢材密度为7800kg/m3,钢材弹性模量为2.1×1011Pa,泊松比为0.3.钢筋混凝土楼板其密度为2500kg/m3,弹性模量为3×1010Pa,泊松比为0.2.单元总数11514,结点总数10141.2构件应力分析模拟计算中,1~9荷载步计算结果为钢结构在常规安装工艺下结构的应力状态,其中,第9步为钢结构安装完成时各点应力值.10~13荷载步计算结果为钢结构在“上挂下托”实施时的结构应力状态.从计算结果中,选择了17个受力较大部位CD1~CD17的轴向、剪切、弯曲应力结果,分别如图5~7所示.对于1~9荷载步,在图5中表明下层结构的荷载对上层结构的应力没有影响,在图6、7中表明下层构件的应力随楼层的增加而增大.10~13荷载步,随着框架立柱被逐步切断,12~20层结构自重逐步由腰桁架向帽桁架转移,图5表明帽桁架应力逐渐增大,图7表明腰桁架应力逐渐减小,上下层桁架的受力较原来更加均衡,整体结构应力状态得到明显改善,“上挂下托”的意图得到充分实现.施工过程中构件应力变化路径与施工工序密切相关,上挂下托时,应力变化曲线受立柱切断顺序影响,这在框架立柱应力图7中表现尤其明显,当立柱被切断时,柱内应力出现突变.上下两层桁架为主要承重结构,桁架杆件(特别是两侧斜撑杆件)受力较大,其在“上挂下托”实施过程中杆件内的应力变化也较大.整个过程中,结构在竖向荷载作用下轴向应力和弯曲应力较大,应力变化幅度也较大,结构的剪切应力较小,变化幅度也小.3施工过程模拟与监测(1)采用单元生死技术,多载荷步求解,可实现结构刚度矩阵逐步修正,结构自重分层加载,从而实现一次建模,施工全程模拟.(2)在施工过程中,结构的应力变化路径与施工工序密切相关,通过施工模拟确定结构