某钢结构施工仿真分析正式.docx

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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

序号

荷载符号

名称

说明

1

DL

结构自重

钢结构及附属结构自重（结构理论重量）

2

LL

活荷载

施工中临时的人、机荷载（暂取为150kg/m2，即1.5kN/m2）

3

T+

升温荷载

设定常温为25℃，升温荷载按+20℃温差考虑。

4

T-

降温荷载

降温荷载按-20℃温差考虑。

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

胎架点编号

卸载前竖向位移

卸载后竖向位移

卸载总位移

DZ（mm）

DZ（mm）

△DZ（mm）

1

-0.40

-9.28

8.88

2

-0.55

-7.65

7.10

3

-0.68

-5.76

5.08

4

-0.93

-4.66

3.73

5

-0.55

-9.71

9.16

6

-0.16

-10.14

9.98

7

-0.19

-9.81

9.62

8

-0.14

-8.97

8.83

9

-0.16

-7.79

7.63

10

-0.15

-5.76

5.61

11

-0.18

-4.24

4.06

12

-0.13

-8.27

8.14

13

-0.35

-8.45

8.1

14

-0.13

-7.74

7.61

15

-0.39

-7.22

6.83

16

-0.13

-7.11

6.98

17

-0.30

-7.09

6.79

18

-0.11

-6.61

6.5

19

-0.37

-6.45

6.08

20

-0.13

-5.45

5.32

21

-0.28

-4.62

4.34

22

-0.26

-3.79

3.53

23

-0.30

-3.23

2.93

24

-0.15

-6.19

6.04

25

-0.22

-5.71

5.49

26

-0.08

-4.93

4.85

27

-0.46

-4.51

4.05

28

-0.11

-3.90

3.79

29

-0.15

-3.79

3.64

30

-0.07

-3.22

3.15

31

-0.13

-2.90

2.77

32

-0.07

-2.14

2.07

33

-1.96

-7.33

5.37

34

-0.14

-3.27

3.13

35

-0.23

-2.93

2.70

36

-0.11

-2.04

1.93

37

-3.22

-5.80

2.58

38

-3.94

-6.74

2.80

39

-2.13

-3.67

1.54

40

-2.36

-6.37

4.01

41

-1.52

-5.17

3.65

42

-2.92

-6.11

3.19

43

-2.75

-4.90

2.15

44

-4.12

-6.59

2.47

45

-2.81

-5.94

3.13

46

-2.13

-3.41

1.28

47

-5.90

-8.60

2.70

48

-3.28

-6.75

3.47

49

-0.87

-4.00

3.13

50

-0.51

-4.11

3.6

51

-4.21

-8.49

4.28

52

-3.16

-6.52

3.36

53

-4.53

-10.69

6.16

54

-1.88

-6.40

4.52

55

-3.25

-7.76

4.51

56

10.84

2.92

7.92

57

-1.21

-4.74

3.53

58

-3.77

-4.88

1.11

59

-2.07

-6.57

4.50

60

-2.22

-6.39

4.17

61

-5.17

-10.10

4.93

62

-3.10

-7.84

4.74

63

-4.50

-9.13

4.63

64

-1.95

-7.14

5.19

65

-1.71

-5.63

3.92

66

-1.93

-3.03

1.10

67

-2.63

-4.78

2.15

68

-3.78

-8.02

4.24

69

-5.21

-8.72

3.51

70

-3.55

-10.01

6.46

71

-3.71

-12.68

8.97

72

-2.47

-10.15

7.68

73

-2.53

-7.39

4.86

74

-4.21

-10.06

5.85

75

-1.07

-8.27

7.2

76

-2.73

-8.14

5.41

77

-1.95

-8.69

6.74

78

-2.22

-3.15

0.93

79

-5.01

-8.68

3.67

80

-3.09

-8.52

5.43

81

-2.74

-8.67

5.93

82

-4.11

-5.99

1.88

83

-2.31

-5.77

3.46

84

-9.97

-12.22

2.25

85

-1.90

-2.47

0.57

86

-2.64

-3.64

1.0

87

-2.76

-4.70

1.94

88

-8.47

-10.92

2.45

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

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

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

施工步

最大拉应力（N/mm2）

最大压应力（N/mm2）

1

1.35

-1.60

2

16.04

-19.62

3

16.02

-20.32

4

16.03

-20.22

5

17.96

-44.29

6

17.96

-44.29

7

95.24

-191.37

8

95.24

-191.37

9

95.47

-194.81

10

94.49

-193.90

11

95.90

-200.82

12

95.98

-206.18

13

95.97

-206.65

14

95.60

-206.68

15

97.84

-213.88

16

96.97

-218.936

17

97.09

-220.43

18

98.09

-220.27

19

95.22

-223.44

20

207.11

-229.79

21

224.48

-233.80

22

224.48

-233.80

23

113.98

-245.41

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-191.37N/m2，拉应力为95.24N/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-218.93N/m2，拉应力为96.97N/m2。

依次向上安装，待完成时构件应力达到最大，压应力为-233.80N/m2，拉应力为224.48N/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250N/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

TABLE:

BucklingFactors

OutputCase

StepType

StepNum

ScaleFactor

Text

Text

Unitless

Unitless

Buckling

Mode

1

36.192737

Buckling

Mode

2

42.882162

Buckling

Mode

3

46.030179

Buckling

Mode

4

54.866688

Buckling

Mode

5

60.419094

Buckling

Mode

6

62.553516

Buckling

Mode

7

66.730033

Buckling

Mode

8

71.091269

Buckling

Mode

9

72.083723

Buckling

Mode

10

77.715655

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s1，从而为钢结构构件下料长度提供依据。

（2）根据《高层民用建筑技术规程》第11.8.10条计算焊缝理论收缩值：

厚钢板焊缝的横向收缩值，可按下式计算确定，也可按下表4选用。

式中s2—焊缝的横向收缩值（mm）；

A—焊缝横截面面积（mm2）；

t—焊缝厚度，包括熔深（mm）；

k—常数，一般可取0.1；

以上两点，可以计算确定钢构件在加工制作时的下料长：

式中：

s—构件下料长度（mm）；

s0—构件设计长度（mm）；

s1—根据仿真力学分析构件变形压缩长度（mm）；

s2—焊缝的横向收缩值（mm）；

表6焊缝的横向收缩值

根据Midas仿真力学计算模型对结构的分析，通过结构四个有代表性的构件，来计算其下料长度，其余构件下料长度均可按照上述公式进行计算。

（1）框架柱：

选取门洞上方处的连体结构部位的框架柱单元23662进行计算，其截面规格为箱型400X400X20。

（注：

空间位置规则的构件变形压缩为构件顶端压缩与尾端压缩的差值）

仿真力学分析构件变形压缩长度：

s1=38.5190-38.4335=0.086mm

焊缝理论收缩：

s2=1.8mm

构件设计长度：

s0=8823mm

构件下料长度：

s=s0+（s2+s1）=8825mm

（2）框架梁：

选取门洞上方处的连体结构部位的框架梁单元16959进行计算，其截面规格为箱型500X500X22。

仿真力学分析构件变形压缩长度：

s1=-Ns0/（EA）

=-235980x7247/（2.06x105x42064）

=-0.197mm

焊缝理论收缩：

s2=1.6mm

构件设计长度：

s0=7247mm

构件下料长度：

s=s0+（s2+s1）=7248mm

（3）悬挑桁架弦杆：

选取北侧悬挑桁架下弦部位的杆件单元5852进行计算，其截面规格为箱型500X300X14X18。

仿真力学分析构件变形压缩长度：

s1=1.008-0.642=0.366mm

焊缝理论收缩：

s2=1.3mm

构件设计长度：

s0=8200mm

构件下料长度：

s=s0+（s2+s1）=8202mm

（4）立面网格构件：

选取东立面网格梁单元12957进行计算，其截面规格为箱型400X500X40X40。

仿真力学分析构件变形压缩长度：

s1=Ns0/（EA）

=822057x5416/（2.06x105x65600）

=0.313mm

焊缝理论收缩：

s2=2.0mm

构件设计长度：

s0=5416mm

构件下料长度：

s=s0+（s2+s1）=5418mm

6.2控制焊接变形的工艺措施

根据全过程仿真力学分析，结合上节钢构件的焊接变形，提出相应的工艺措施如下：

表7焊接变形的工艺控制

序号

焊接变形的工艺控制

1

下料切割时采用NC切割保证切割精度，下料后对下料零部件进行检验矫正，控制零部件状态下的变形，对薄板采取七辊矫平机消除变形。

2

对焊接坡口，参照国家标准《手工电弧焊焊接接头的基本形式和尺寸》GB985-88和《埋弧焊焊接接头的基本形式和尺寸》GB986-88，根据接头板厚、焊接方法、接头型式、施工经验和焊接仿真，选择经济合理、容易保证焊接质量和有益于控制焊接收缩变形的坡口形式，通过工艺评定掌握预留和控制，控制焊接变形和收缩应力。

3

坡口加工和装配时，控制坡口加工精度和装配间隙，使坡口大小和填充量一致；组装时调平装配平台，使用必要的装配和焊接胎架、工装夹具、工艺支撑，将变形削减并调整至单一方向，同时根据预定的焊缝截面及母材的规格，预置焊接收缩余量和反变形，控制焊接变形。

4

厚板接头采取合理的预热工艺，BOX箱形构件焊接采用双面坡口对称分段退焊施焊，同时优化坡口焊接工艺，减小焊接坡口和焊接填充量，利用三弧三丝高效深熔龙门焊，减少焊接道数，完成优质焊缝的施焊，对厚板深坡口焊缝，焊接中增加翻身次数，对称施焊，并随时检查变形情况，同时进行过程中的火焰矫正和火焰对称等量热输入，减少焊接变形。

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典型厚板接头焊接变形的控制

a.预置焊接收缩余量；

b.针对接头特点设置焊接反变形；

c.合理安排坡口形状和控制焊接顺序；

d．焊接过程中为了控制厚板焊缝中的收缩应力，可对中间焊道进行锤击，以消除焊接应力与，防止裂纹；

e.在同一构件上焊接时，应尽可能采用热量分散、对称分布的方式