某钢结构施工仿真分析-(正式)--

博物馆钢结构施工仿真分析一计算内容分析成都博物馆新馆钢结构安装过程结构受力与设计状态不完全一样,整个结构体系是个逐阶段建立的过程,特别是在胎架卸载过程中，存在结构转换，结构受力从胎架转移到结构本身，部分构件受力特性可能发生改变，因此对施工过程中的若干关键工况需要进行计算，以保证结构的安全。

根据施工全过程的分析结果，对结构构件尺寸与安装位置进行预调整。

施工过程需要计算分析的内容:(1)安装及卸载过程形分析（2)安装及卸载过程构件受力计算分析（3)构件的尺寸与安装的预调整值二计算软件分析选用结构计算选用了通用有限元程序Midas（7.8。

0版）。

三模型分析计算模型采用空间三维实尺模型，按照实际的安装及卸载顺序,进行施工过程分析。

主结构中悬挑桁架的腹杆与地下一榀大桁架的腹杆采用桁架单元模拟,其余构件采用梁单元模拟,楼板采用板单元，核心筒采用墙单元。

施工过程分析中所考虑的荷载工况包括三种类型：恒载DL；活载LL；温度荷载T(T+为升温,T—为负温).设计工况汇总如下表：表1 设计工况汇总在计算模型中胎架按安装单位提供的实际规格考虑,主要分为钢管格构式胎架；型钢组合胎架及悬挑桁架胎架.由于胎架支承点反力为拉力时，该胎架应退出工作，将胎架模型上部与结构连接构件按“只受压单元”考虑。

计算模型胎架三维图胎架平面布置图四施工过程分析4。

1 模拟仿真过程按照安装单位的施工方案，拟将施工过程分为安装22个阶段，卸载1个阶段。

4.1.1 安装过程（主要针对钢结构构件，楼板与核心筒随钢结构依次自下而上）第一阶段安装地下-20m处第1节钢柱第二阶段安装地下—16m处钢梁第三阶段安装地下—12m处钢梁第四阶段安装地下-12m处以上的第2节钢柱第五阶段安装地下-8m处钢梁第六阶段安装悬挑桁架的胎架第七阶段安装地下—4m、0m及夹层处的钢梁及悬挑桁架安装第八阶段安装东南角部的胎架第九阶段安装地上第1节钢柱第十阶段安装地上西侧开洞部位的胎架第十一阶段安装地上4。

5m处的钢梁第十二阶段安装地上9.0m处的钢梁及外部第1层网格第十三阶段安装地上第2节钢柱第十四阶段安装中部门洞处的胎架第十五阶段安装地上12。

5m、16m处的钢梁及外部第2层网格第十六阶段安装地上19。

5m、23m处的钢梁及外部第3层网格第十七阶段安装地上第3、4节钢柱第十八阶段安装东侧大厅处的胎架第十九阶段安装地上26.5m、30m处的钢梁及外部第4层网格第二十阶段安装东立面网格胎架第二十一阶段安装地上34。

0m处的钢梁及屋面钢梁第二十二阶段安装屋面板、外网格檐口构件及部分构件填装4.1。

2 卸载过程实际施工中拆撑卸载是利用放置在临时胎架顶端的千斤顶缩短达到卸载的目的。

卸载方法根据“变形协调,卸载均衡”的原则,通过放置在支架上的千斤顶，多次循环微量下降来实现“荷载平衡转移”.4。

1。

2.1 胎架卸载量施工过程中需要卸载的量值为对应时期结构的荷载所能产生的下挠值,本工程中卸载时存在的荷载包括有结构自重和对应的楼板自重，根据计算模型算出胎架支承点处在该组合工况下的竖向变形值. 各支承点卸载前后的竖向位移值以及需要卸载的总位移如下所示（支承点编号与胎架编号一致）。

胎架编号图表2 各支承点竖向位移及卸载量值如上表所示：支承点处所有胎架卸载总位移在10mm以内，卸载量比较小,为确保千斤顶和砂箱卸载同阶段性，可采取一次卸载的方式,对结构的强度刚度及整体稳定影响甚微(见后续)，即整体卸载方式。

第二十三阶段拆除胎架，结构整体卸载4。

2 变形分析为了便于更直观反应结构的变形分布，板单元与墙单元未显示.4。

2。

1 安装过程变形第一阶段变形最大为0。

03mm，发生第一节钢柱上第二阶段变形最大为9.88mm，发生在-16m处的斜梁上第三阶段变形最大为9.92mm，发生在-16m的斜梁上第四阶段变形最大为9。

92mm，发生在—16m的斜梁上第五阶段变形最大为12.48mm,发生在地下桁架弦杆上第六阶段变形最大为12.48mm，发生在地下桁架弦杆上第七阶段变形最大为32.15mm,发生在门洞底部的钢梁上第八阶段变形最大为32。

15mm,发生在门洞底部的钢梁上第九阶段变形最大为32。

24mm，发生在门洞底部的钢梁上第十阶段变形最大为32。

24mm,发生在门洞底部的钢梁上第十一阶段变形最大为32.33mm，发生在门洞底部的钢梁上第十二阶段变形最大为32。

38mm,发生在门洞底部的钢梁上第十三阶段变形最大为32.50mm,发生在门洞底部的钢梁上第十四阶段变形最大为32。

50mm，发生在门洞底部的钢梁上第十五阶段变形最大为32。

75mm，发生在门洞底部的钢梁上第十六阶段变形最大为33。

07mm，发生在门洞底部的钢梁上第十七阶段变形最大为33.21mm，发生在门洞底部的钢梁上第十八阶段变形最大为33。

21mm,发生在门洞底部的钢梁上第十九阶段变形最大为34.76mm，发生在连体结构的钢梁上第二十阶段变形最大为34。

38mm，发生在连体结构的钢梁上第二十一阶段变形最大为36。

28mm，发生在连体结构的钢梁上第二十二阶段变形最大为36.28mm，发生在连体结构的钢梁上以上安装过程中的22个阶段表明，结构的变形逐渐增大,最大变形的位置主要发生在门洞的底部与连体结构上。

变形的幅度比较均匀且不大,均控制在40mm 以内，且最大竖向变形为36.28mm〈L/400，满足规范对容许变形的要求。

4。

2.2 卸载过程变形第二十三阶段变形最大为38.52mm，发生在连体结构的钢梁上表3 各施工阶段结构变形图如上图所示：由于各支承点卸载量很小,采用一次整体卸载的方式，结构的变形较安装时的变形增加幅度不大,说明结构在卸载时整体力学性能良好,内力重分布未明显影响悬挑桁架处与门洞上部的连体结构的变形。

最大的竖向变形为38。

52mm〈L/400，满足规范对容许变形的要求。

4.3 施工过程构件受力4.3。

1 构件应力分布第7阶段梁柱结构应力图第16阶段梁柱结构应力图安装完成时梁柱结构应力图卸载完成时梁柱结构应力图表4 各施工阶段梁柱结构应力变化从上图可以看出，随着安装过程不断推移，梁柱构件受到的压应力与拉应力不断增大。

在第7阶段即地下结构安装完成后，构件最大的压应力为—191。

37 N/m2，拉应力为95。

24 N/m2；安装到第16阶段即连体结构形成时，构件最大的压应力增大为-218.93 N/m2，拉应力为96。

97 N/m2。

依次向上安装，待完成时构件应力达到最大，压应力为—233.80 N/m2,拉应力为224。

48 N/m2.卸载后由于内力重分布，构件的拉应力明显减少，压应力缓慢增大。

构件的材质大多数为Q345，其余的材质性能高于Q345,由于壁厚不同，其强度设计值最小为250 N/m2，故满足规范要求。

4.3。

2 构件应力比第7阶段构件应力比第7阶段构件应力比柱状图第16阶段构件应力比第16阶段构件应力比柱状图安装完成时构件的应力比安装完成时构件的应力比柱状图卸载完成时构件的应力比卸载完成时构件的应力比柱状图由上图可知:随着安装过程递进，构件的应力比依次增大，最大应力比集中体现在开洞部位的钢梁上。

在第7阶段应力比最大为0。

74，大部分构件的应力比在0。

25以下；在第16阶段应力比最大为0。

85，大部分构件的应力比在0。

40以下。

安装完成与完全卸载两个阶段的应力比相差不大，说明卸载对整体结构的内力与变形影响不大，尽管个别构件应力比达到0.9以上，但对于大多数构件应力比均控制在0.5以下，说明结构有一定的富裕度，在安装过程与卸载过程中结构满足要求。

4。

3。

3 胎架的强度验算临时胎架在施工中充当临时支座的作用，必须保证其强度和稳定性能，以确保在整个施工过程中结构的安全。

胎架构件应力比胎架构件应力比柱状图从上图可知临时胎架在最不利荷载组合作用下最大应力比为0。

66，大多数构件在0。

35以下，表明所有构件在施工过程中均在安全范围之内。

4。

3。

4 结构整体稳定性对卸载后的整体结构进行屈曲分析，屈曲分析中，以1.0恒载+0.5活载的工况下进行。

屈曲因子如下表所示：表5 卸载后结构整体屈曲因子如上表所示，结构卸载完成后,第一阶屈曲因子符合大于3～5的一般规定，该结构卸载后的屈曲因子最小约为36.19，随着模态数的增加，屈曲因子逐阶段增大.由此可见，该结构卸载后稳定性较好，结构安全可靠.五施工全过程监测本工程设计新型、结构受力复杂，特别是设计有大悬挑承重桁架、大跨度钢梁、承重网格立面、复杂铸钢节点等组合结构。

在施工前，要通过受力模拟分析选择较优的施工流程，尽量减少施工过程中产生的应力.为了量化施工中产生的应力应变及结构变形，拟对本工程施工全过程安装过程进行监测。

5。

1 施工监测的目的结构在施工过程中的边界条件、受力状态往往与设计模型有很大差别，结构在施工过程中的受力状态也非常复杂,为了确保结构在整个结构使用过程中的安全性，有必要对结构进行施工过程跟踪监测。

施工监测是根据实际施工过程对结构的变形及应力变化及沉降进行监测。

对需监测变形处进行标记，需监测应力的位置布置应变计。

施工监测的目的是为确保施工过程中主体结构的可靠度、安全性与稳定性,保证结构施工完毕后结构变形及受力状态符合设计要求。

5.2 施工监测的内容结构施工全过程跟踪方法有两种:一种是采用计算机进行施工过程跟踪仿真分析，通过力学分析确定结构在各种不同的边界条件和各种复杂的荷载作用下，结构构件的受力状态，另一种是施工过程在线实时监测，通过监测手段来监测在整个施工阶段结构构件的实际工作状态。

根据对结构的施工仿真分析,建议对本工程以下两个方面的内容进行施工监测：结构变形控制与内力控制。

变形控制包括：1、测量胎架支撑点的定位高度，并记录在案；2、掌握各次安装量，每一步的安装量都要按照规定要求的安装量进行施工，要对安装过程进行精确控制；3、每次安装结束后,测量监控点的变形数据,以确定施工过程变形与受力模拟分析值是否一致，从而达到指导施工的目的。

内力控制包括：通过对复杂结构形式的理论分析，在结构施工过程中，大悬挑承重体系由支撑前的简支梁单元转换成支撑拆除后的悬臂梁单元，此处的应力应变最大。

为实现对其的应力应变监控,采用在胎架和桁架弦杆上贴应力应变片实施应力应变监控。

六构件尺寸与安装位置预调整6。

1 钢结构构件下料长度钢结构在安装过程中由于自重及施工荷载及焊缝焊接收缩的影响,导致钢构件长度与设计长度带来一定的误差.因此，要求我们施工单位在加工制作时准确考虑由此带来的与设计的误差。

构件的实际下料长度的计算通过一下两点来准确预测:（1) 通过全过程仿真力学分析计算后，可以得出了结构构件自重及施工荷载作用下的变形s，从而为钢结构构件下料长度提供依据。