大跨连体结构施工过程模拟分析

大跨连体结构施工过程模拟分析

刘新虎，胡一鸣

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

【摘 要】以邯郸客运中心主楼为工程背景，针对本工程存在的6层高位大跨度连体结构，采用顶层钢桁架+预应力拉索结构型式。由于连体结构形式的复杂性，对结构进行施工全过程模拟分析，重点介绍了结构施工顺序以及预应力拉索的张拉方案，分析了拉索张拉过程中结构内力的变化情况，为类似大跨度连体结构的合理设计和施工提供参考。

【关键词】大跨度高位连体结构；施工模拟；钢桁架；预应力拉索

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2017.04.106

1 工程概况

邯郸客运中心主楼地上11层，地下1层，结构总高度为47.0m。地下1层为车库，层高5.5m，1层、2层层高6.5m，3层、4层层高4.5m，5～9层层高4.1m，10层层高4.5m，11层为屋顶层。总建筑面积约为4.6万m2，结构平面尺寸为113.4m× 56.7m，轴网尺寸主要为8.1m，平面呈环形，平面楼板大开洞，立面呈L形，建筑效果图如图1所示。主楼结构体系为巨型框架-核心筒混合结构，6个筒体在环形平面均匀布置，仅主楼东侧框架柱及西侧核心筒之间4个钢框架柱连续至基础，其余5～11层钢框架柱在5层楼面不再往下延伸，在钢筋混凝土筒体之间形成4个6层的高位连体结构，跨度分别为40.5m和32.4m。

图1 建筑效果图

2 施工过程概况

对于复杂结构体系，结构规模大、结构组成复杂，施工过程中影响结构成形和受力的因素较多，又相互制约，使得结构施工过程的力学分析比较复杂[1]。

邯郸客运中心主楼采用巨型框架-核心筒结构体系，6层高位连体结构采用顶层钢桁架+斜拉索结构形式，荷载通过连体结构最终传到混凝土核心筒上，钢桁架与预应力拉索布置在1/N、Q、T及1/U轴，平面布置位置如图2所示，钢桁架与预应力拉索布置立面如图3所示。顶层钢桁架协调各个核心筒侧向变形，并承担部分竖向荷载，斜拉索作为主要受力构件承担竖向荷载，并通过对拉索施加预应力来协调连体结构整体竖向刚度和竖向变形。连体结构施工方案，尤其是预应力拉索的施工次序及张拉方式对连体结构的刚度形成和结构受力有很大影响。

本工程连体结构采用顺作法[2，3]施工，施工顺序如下：

1）先施工完6个混凝土核心筒结构到顶层；

2）顺序施工主楼下部裙房结构；

3）在连体结构下部裙房结构柱上架设临时支撑，顺序施工5～11层钢结构框架及顶层钢桁架；

4）安装图3中所示的拉索a～d，安装拉索下节点，即拉索与5层楼面大梁连接节点，作为拉索固定端，安装拉索上节点即拉索与核心筒角部劲性柱连接节点，作为索预应力张拉端；

5）各层钢结构安装到位后，施工5～7层组合结构楼板，待混凝土养护结束后，依次张拉1/N、Q、T、1/U轴上跨度约为11.5m的短索（见图3中的索a、索b），每条轴线上的4根索同步分级张拉，至设计预张力的30%→70%→100%；

6）施工8～9层混凝土，混凝土养护结束后，依次张拉1/N、Q、T、1/U轴上跨度约为23.1m的长索（见图3中的索c和索d），每条轴线上的4根索同步分级张拉，至设计预张力的30%→70%→100%；

7）施工10层、11层楼面组合楼板；

8）拆除施工临时支撑。

本文采用Etabs V9.74软件，对邯郸客运中心主楼6层高位连体结构的施工过程进行数值模拟分析，对各施工阶段中结构各部分内力变化进行详细分析。

3 施工过程内力分析

施工模拟时主要分析了施工恒载 (主要为结构自重和节点荷载)、施工活载(主要为人和工具的自重)以及拉索预拉力荷载组合工况下各主要结构构件内力变化情况[4]。由于1/N、Q和T、1/U对称，钢桁架和拉索布置形式相同，楼面使用功能、荷载也相近，故仅取1/N轴及Q轴内力进行分析。

3.1 未张拉索前结构内力分析

索张拉前，结构5～11层竖向荷载由顶部桁架与底部临时支撑共同承担。施工恒载+施工活载作用下，1/N轴及Q轴构件轴力如图4、图5所示。由构件轴力图可以看出，连体结构竖向荷载主要由临时支撑承担，顶部桁架分担的力较小，各构件内力最大值如表1所示。

图2 构件平面布置图

图3 1/N、Q、T、1/U轴连体结构立面图

图4 1/N轴构件轴力图

图5 Q轴构件轴力图

表1 拉索张拉前构件内力值kN

边柱压力 中柱压力 桁架腹杆 临时支撑部位 中柱支撑5086 2916区域2 1/N轴Q轴区域1 1/N轴Q轴底部3678 2916顶部145 119底部4317 2461顶部655 407压力1318 767拉力1541 963边柱支撑4451 2608 3801 2089 242 94 4559 2554 853 511 1099 716 1308 903 4560 2539 5328 2993

3.2 张拉短索后结构内力分析

在拉索上节点对拉索a及拉索b进行预应力张拉，拉索预应力值如表2所示。拉索a及拉索b张拉后，撤除其下节点处的临时支撑。施工恒载+施工活载作用下，1/N轴及Q轴构件轴力如图6、图7所示。由构件轴力图可以看出，在9～10层，区域1及区域2内连体结构边柱均由受压改为受拉，拉索未进行张拉的中柱仍受压；5～8层，区域1及区域2内连体结构边柱仍受压，但轴压力值大幅减小。

图6 1/N轴构件轴力图

图7 Q轴构件轴力图

由于边柱支撑的撤除，原来主要由边柱支撑承担的竖向荷载由顶部桁架、拉索以及中柱支撑共同承担，导致中柱支撑轴力最大值增大1513kN，顶部桁架腹杆拉力与压力均增大600～1300kN，构件内力值变化如表3所示。

表2 拉索a、拉索b预拉力值kN

部位 拉索a 拉索b 1/N轴Q轴1869 1717 3939 1613

表3 拉索a、拉索b张拉后构件内力值kN

部位 边柱压力 中柱压力 桁架腹杆 中柱支撑区域1 1/N轴Q轴底部1099 1015顶部1456 617底部5459 2924顶部1778 900压力2626 1367拉力2845 1550压力6599 3536区域2 1/N轴Q轴2289 925 599 662 4578 2725 1160 807 1723 1284 1918 1460 5363 3207

3.3 张拉长索后结构内力分析

在拉索上节点对拉索c及拉索d进行预应力张拉，张拉后各拉索预应力值如表4所示。拉索c及拉索d张拉后，撤除所有拉索下节点处的临时支撑。施工恒载+施工活载作用下，1/N轴及Q轴构件轴力如图8、图9所示。由构件轴力图可以看出，在9～10层，区域1及区域2内连体结构中柱和边柱由受压改为受拉；5～8层，区域1及区域2内连体结构中柱和边柱仍受压，但轴压力值大幅减小。

由于临时支撑全部撤除，原来主要由临时支撑承担的竖向荷载由顶部桁架、拉索共同承担，顶部桁架腹杆拉力与压力均增加1000～1800kN左右，构件内力值变化如表5所示。

表4 拉索预拉力值kN

部位 索a 索b 索c 索d 1/N轴Q轴2225 1923 4548 1982 1690 978 4578 1952

表5 各拉索均张拉后构件内力值kN

部位 边柱 中柱 桁架腹杆拉力4613 2607区域2 1/N轴Q轴区域1 1/N轴Q轴压力1177 1064拉力1361 637压力1734 1011拉力1114 714压力4414 2434 2633 1130 289 515 2621 1037 417 580 3461 2987 3636 3147

图8 1/N轴构件轴力图

图9 Q轴构件轴力图

4 抗连续倒塌分析

连体结构采用顶层钢桁架+斜拉索结构体系，预应力拉索为主要受力构件，为保证结构安全，对拉索进行频遇荷载组合下抗连续倒塌分析[5，6]。

六层高位连体结构跨度分别为32.4m和40.5m，钢桁架及预应力拉索平面布置位置详如图2所示。整体建模计算分析可知，1/N、1/U轴钢桁架及预应力拉索构件比Q、T轴构件受力大，取最不利的1/N轴40.5m跨度连体结构中短索A（长度为11.5m）及长索B（长度为23.056m）进行断索分析，分析工况为1.0恒+0.5活。拉索A、拉索B和钢桁架构件布置及编号如图10所示。拉索A失效前、后构件轴力图如图11、图12所示。

图10 1/N轴钢桁架及拉索布置图

5 结语

通过以上分析可以得出：

1）采用预应力拉索作为连体结构主受力构件，通过施加特定的预应力，能有效调整连体结构杆件内力，并合理控制连体结构竖向变形。

2）对于复杂连体结构，结构的内力变化过程与施工方式密切相关，需通过施工模拟确定结构在施工过程中是否安全，以选择合理的施工顺序与施工工艺。

3）对于使用临时支撑作为临时主受力构件的工程，一定要根据施工过程中临时支撑内力的变化，按最不利荷载工况对临时支撑进行设计和选择。

4）对本工程的钢桁架-斜拉索结构体系进行抗连续倒塌分析，分析表明，在单根索失效的情况下，不会引起其他结构构件的连续破坏，给索的维修和跟换提供条件。

图11 拉索A失效前构件轴力图

图12 拉索A失效后构件轴力图

【参考文献】

【1】陈亮.大型复杂结构施工全过程模拟分析[D].西安：长安大学，2009.

【2】董石麟.新型空间结构分析、设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2006.

【3】张其林.新型建筑索结构设计与监测[M].北京：中国电力出版社，2012.

【4】田黎敏，郝际平，戴立先，等.深圳湾体育中心结构施工过程模拟分析[J].建筑结构，2011，12（41）：118-121.

【5】郑阳.结构抗连续倒塌关键构件的评价方法及敏感性分析[D].杭州：浙江大学，2013.

【6】傅学怡，黄俊海.结构抗连续倒塌设计分析方法探讨[J].建筑结构学报，2009，12（1）:15-16.

Construction Simulation Analysis of Long-Span Steel Connected Structure

LIU Xin-hu,HU Yi-ming
(Tongji Architectural Design(Group)Co.Ltd.,Shanghai 200092,China)

【Abstract】Based on the engineering background of the main tower of Handan central transport station,which has six floors high and long span connected structure system,we choose the top steel truss+prestressed cable structure form.Due to the complexity of the connected structure,the whole construction process of simulation analysis is taken.Especially,Paper introduces the sequence of structure construction and the tensioning solution of prestressed cable.The change of the structure internal forces while cable tensioning process is also analyzed.The results provide a reasonable basis for the design and construction of long-span steel connected structures.

【Keywords】long-span connected structure;construction simulation;steel truss;prestressed cable

【中图分类号】TU318

【文献标志码】A

【文章编号】1007-9467（2017）04-0011-04

【收稿日期】2017-02-08

【作者简介】刘新虎（1966～），男，河北石家庄人，工程师，从事建筑结构设计研究。