施工過程模擬分析

第頁共797頁施工過程模擬分析施工步驟的劃分根據施工總進度計劃及主體結構施工方案，將結構施工過程劃分為10個步驟來進行施工模擬分析。將整個Ⅰ標段的主體鋼結構分成5個結構單元，首先安裝樹形柱和東側展望橋核心筒部分，然后安裝展望橋上部結構（包括上面的屋面網殼）和西側大樹廣場花籃，之后花籃上部的網殼外擴，體育場上部網殼以東西軸線為對稱軸南北兩側自西向東同時施工。施工步驟具體如下表所示：施工步驟步驟簡述Stage1樹形柱和展望橋核心筒Stage2展望橋上部結構網殼、大樹廣場花籃Stage3花籃上部結構外擴、體育場西側頂部網殼Stage4花籃上部結構和體育場西側頂部網殼外擴Stage5花籃上部結構繼續(xù)外擴，開始施工體育場南北兩側網殼Stage6花籃上部結構繼續(xù)外擴，體育場南北兩側網殼繼續(xù)安裝Stage7花籃上部結構繼續(xù)外擴，體育場南北兩側網殼繼續(xù)安裝Stage8大樹廣場網殼和體育場南北兩側網殼完成施工Stage9體育場上部網殼之間合龍Stage10體育場網殼和大樹廣場上部結構之間合龍計算內容及原因計算各施工階段結構變形及應力的變化和發(fā)展過程。由于施工順序和加載條件不同，實際施工的結構的受力情況與建立整個模型后進行結構分析的分析結果是不同的。導致產生這些誤差的原因可大致分為兩點：1）對整個結構的模型同時施加荷載時，所施加的荷載會被傳遞到還未施工的主體結構上，這與實際施工條件不同，因此會產生誤差。2）在各施工階段的荷載會導致豎向構件的不同收縮。因此必須進行施工階段的變形和應力分析，確保施工階段的安全。算法及荷載概述根據施工順序，我們采用MIDAS/GEN進行施工階段模擬分析，計算模型為一整體模型，按照施工步驟將結構構件、支座約束、荷載工況分別劃分為10個組，按照施工步驟、工期進度進行施工階段定義，程序按照控制數據進行分析。在分析某一施工步驟時，程序將會凍結該施工步驟后期的所有構件及后期需要加載的荷載工況，僅允許該步驟之前完成的構件參與運算，例如第一步驟的計算模型，程序凍結了該步驟之后的所有構件，僅顯示第一步驟完成的構件，參與運算的也只有這一階段的構件，計算完成顯示計算結果時，同樣按照每一步驟完成情況進行顯示。計算過程采用考慮時間依從效果（累加模型）的方式進行分析，得到每一階段完成狀態(tài)下的結構內力和變形，在下一階段程序會根據新的變形對模型進行調整，從而可以真實地模擬施工的動態(tài)過程。計算模型完全按照結構招標圖建立，所有構件的截面、材質與招標圖完全一致，計算荷載主要考慮結構自重，并考慮溫度荷載和風荷載的影響。計算變形時采用的是各荷載工況的標準值組合，計算應力時采用的是各荷載工況的設計值組合。具體的荷載組合如下表所示：荷載組合恒(CD)活(CL)γ0/γRESLCB1(CD控)1.350.98γ0=1.1SLCB2(變形)1.01.0γ0=1.1SLCB3(CL控)1.21.4γ0=1.1另外將整個安裝步驟分成十大部分，分別在stage1、stage5、stage9和stage10階段計算溫度以及風荷載作用對施工過程中結構的影響，具體的荷載組合如下表所示：荷載組合恒(CD)活(CL)風荷載(WL)溫度(TL)γ0/γRESLCB4(WL)//1.0/γ0=1.1SLCB5(TL)///1.0γ0=1.1SLCB61.21.40.840.7γ0=1.1SLCB71.0/1.4/γ0=1.1溫度荷載根據《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數據集》（中國氣象局氣象信息中心氣象資料室及清華大學建筑技術科學系聯合編著出版）提供的深圳地區(qū)氣象資料結合施工進度施加。施工過程分析依據的相關規(guī)范如下所示：建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2001（2006版）鋼結構設計規(guī)范GB50017-2003冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范GB50018-2002建筑鋼結構焊接規(guī)程JGJ81-2002鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范GB50205-2001建筑抗震設計規(guī)范GB50011-2006風荷載基本風壓為0.75KPa，地面粗糙度類別為B，其余荷載按《建筑結構荷載規(guī)范》取值。結構計算模型（整體圖）各施工步驟計算簡圖STAGE1(樹形柱和展望橋核心筒)STAGE2(展望橋上部結構網殼、大樹廣場花籃結構)STAGE3(花籃結構外擴、施工體育場西側頂部網殼)STAGE4(大樹廣場和體育場西側頂部網殼外擴)STAGE5(大樹結構繼續(xù)外擴，體育場南北兩側網殼同時安裝)STAGE6(體育場南北兩側網殼與大樹廣場繼續(xù)安裝)STAGE7(體育場南北兩側網殼與大樹廣場繼續(xù)安裝)STAGE8(體育場南北兩側網殼與大樹廣場安裝完成)STAGE9(體育場上部網殼之間合龍)STAGE10(體育場網殼和大樹廣場上部結構之間合龍)施工過程模擬分析每一施工過程中的分項工程，其中包括X、Y、Z三個主軸方向上的位移值（DX，DY，DZ），結構的最不利應力以及主要構件應力比將以圖解形式詳細描述。STAGE1【第一階段】變形分析STAGE1X-方向位移圖（DX）STAGE1Y-方向位移圖（DY）STAGE1Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為128.10mm；Y方向最大變形DY為155.42mm；Z方向最大變形DZ為-246.45mm，主要是樹形支撐的豎向位移，可見此階段變形比較小。應力分析STAGE1單元應力圖單元的應力最大值為-192.24MPa，出現在樹形柱處，而大部分構件的應力比此值還低許多，可見此階段構件的應力是比較小的。承載力分析STAGE1結構最大應力分布圖STAGE1構件應力比圖整個結構桿件應力比最大為0.78，而大部分構件的應力比要比此值低很多，滿足應力比的要求。STAGE2【第二階段】變形分析STAGE2X-方向位移圖（DX）STAGE2Y-方向位移圖（DY）STAGE2Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為128.10mm；Y方向最大變形DY為155.42mm；Z方向最大變形DZ為-246.45mm，可見此階段變形不大。應力分析STAGE2單元應力圖單元的應力最大值為-192.24MPa，出現在樹形柱的節(jié)點處，而大部分構件的應力比此值還低許多，可見此階段構件的應力是比較小的。承載力分析STAGE2結構最大應力分布圖STAGE2構件應力比圖整個結構桿件應力比最大為0.78而大部分構件的應力比要比此值低很多，滿足應力比的要求。STAGE3【第三階段】變形分析STAGE3X-方向位移圖（DX）STAGE3Y-方向位移圖（DY）STAGE3Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為128.10mm；Y方向最大變形DY為155.42mm；Z方向最大變形DZ為-246.45mm，主要是結構的豎向變形，可見此階段總體變形還是比較小的。應力分析STAGE3單元應力圖單元的應力最大值為-192.24MPa，樹形柱的節(jié)點處，而大部分構件的應力比此值還低許多，可見此階段構件的應力總體來說是比較小的。承載力分析STAGE3結構最大應力分布圖STAGE3構件應力比圖整個結構桿件應力比中只有一根最大為0.78，而大部分構件的應力比要比此值低很多，滿足應力比的要求。STAGE4【第四階段】應力分析STAGE4X-方向位移圖（DX）STAGE4Y-方向位移圖（DY）STAGE4Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為129.57mm；Y方向最大變形DY為155.20mm；Z方向最大變形DZ為-246.37mm，主要是主體結構的豎向變形，可見此階段總體變形還是比較小的。應力分析STAGE4單元應力圖梁單元的等效應力最大值為-191.53MPa，出現在樹形柱的節(jié)點處，這些應力集中處只出現在結構的某幾個點，可見此階段構件的應力總體來說是比較小的。承載力分析STAGE4結構最大應力分布圖STAGE4構件應力比圖整個結構桿件應力比中只有一根最大為0.78，而大部分構件的應力比要比此值低很多，集中在0.1—0.3左右，滿足應力比的要求。STAGE5【第五階段】變形分析STAGE5X-方向位移圖（DX）STAGE5Y-方向位移圖（DY）STAGE5Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為129.57mm；Y方向最大變形DY為155.20mm；Z方向最大變形DZ為-246.37mm，主要是主體結構的豎向變形，其他主體部分和胎架的變形不大，可見此階段總體變形還是比較小的。應力分析STAGE5單元應力圖單元的應力最大值為-191.52MPa，出現在樹形柱的下端柱處，而大部分構件的應力比此值還低許多，可見此階段構件的應力總體來說是比較小的。承載力分析STAGE5結構最大應力分布圖STAGE5構件應力比圖整個結構桿件應力比中只有一根最大為0.78，而大部分構件的應力比要比此值低很多，集中在0.1—0.3左右，滿足應力比的要求。STAGE6【第六階段】變形分析STAGE6X-方向位移圖（DX）STAGE6Y-方向位移圖（DY）STAGE6Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為129.57mm；Y方向最大變形DY為155.20mm；Z方向最大變形DZ為-246.37mm，主要是主體結構的豎向變形，其他主體部分和胎架的變形不大，可見此階段總體變形還是比較小的。應力分析STAGE6單元應力圖單元的應力最大值為-191.53MPa，而結構大部分地方的應力云圖呈現綠色，說明大部分構件的應力比此值低許多，可見此階段構件的應力總體來說是比較小的。承載力分析STAGE6結構最大應力分布圖STAGE6構件應力比圖整個結構桿件應力比中只有幾根比較大，其中最大為0.78，而大部分構件的應力比要比此值低很多，集中在0.1—0.3左右，滿足應力比的要求。STAGE7【第七階段】變形分析STAGE7X-方向位移圖（DX）STAGE7Y-方向位移圖（DY）STAGE7Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為129.57mm；Y方向最大變形DY為155.20mm；Z方向最大變形DZ為-246.37mm，主要是主體結構的豎向變形，其他主體部分的變形不大，可見此階段總體變形還是比較小的。應力分析STAGE7單元應力圖單元的應力最大值為-191.53MPa，這些應力集中處只出現在結構的某幾個點，而結構大部分地方的應力云圖呈現綠色，說明大部分構件的應力比此值低許多，可見此階段構件的應力總體來說是比較小的。承載力分析STAGE7結構最大應力分布圖STAGE7構件應力比圖整個結構桿件應力比中只有幾根比較大，其中最大為0.78，而大部分構件的應力比要比此值低很多，集中在0.1—0.3左右，滿足應力比的要求。STAGE8【第八階段】變形分析STAGE8X-方向位移圖（DX）STAGE8Y-方向位移圖（DY）STAGE8Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為129.57mm；Y方向最大變形DY為155.20mm；Z方向最大變形DZ為-246.37mm，主要是主體結構的豎向變形，可見此階段總體變形還是比較小的。應力分析STAGE8單元應力圖單元的應力最大值為-191.53MPa，這些應力集中處只出現在結構的某幾個點，而結構大部分地方的應力云圖呈現綠色，大部分構件的應力比此值低許多，可見此階段構件的應力總體來說是比較小的。承載力分析STAGE8梁單元應力圖STAGE8構件應力比圖整個結構桿件應力比中只有幾根比較大，其中最大為0.78，而大部分構件的應力比要比此值低很多，集中在0.1—0.3左右，滿足應力比的要求。STAGE9【第九階段—體育場網殼合龍】變形分析STAGE9X-方向位移圖（DX）STAGE9Y-方向位移圖（DY）STAGE9Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為129.61mm；Y方向最大變形DY為155.25mm；Z方向最大變形DZ為-246.39mm，此時結構將要合龍，形成一些拱效應，因此主體結構向外側的位移也開始增長了，但主要還是主體結構的豎向變形，可見此階段總體變形還是比較小的。應力分析STAGE9單元應力圖單元的應力最大值為-191.39MPa，這些應力集中處只出現在結構的某幾個點，而結構大部分應力都不大，可見此階段構件的應力總體來說是比較小的。承載力分析STAGE9結構最大應力分布圖STAGE9構件應力比圖整個結構桿件應力比中只有幾根比較大，其中最大為0.78，而大部分構件的應力比要比此值低很多，集中在0.1—0.3左右，滿足應力比的要求。STAGE10【第十步——大樹廣場結構合龍】變形分析STAGE10X-方向位移圖（DX）STAGE10Y-方向位移圖（DY）STAGE10Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為129.60mm；Y方向最大變形DY為155.25mm；Z方向最大變形DZ為-246.39mm，此時結構已合龍，拱效應已形成，主要是主體結構的豎向變形起主導作用，可見此階段總體變形還是比較小的。應力分析STAGE10單元應力圖單元的應力最大值為-191.40MPa，這些應力集中處只出現在結構的某幾個點，而結構大部分應力都不大，可見此階段構件的應力總體來說是比較小的。承載力分析STAGE10結構最大應力分布圖STAGE10構件應力比圖整個結構桿件應力比中只有幾根比較大，其中最大為0.78，而大部分構件的應力比要比此值低很多，集中在0.1—0.3之間，滿足應力比的要求。結論本結構由于其設計狀態(tài)結構的閉合整體性和施工狀態(tài)下結構的開放分散性，造成了其結構的受力和變形在設計狀態(tài)和施工狀態(tài)下必然存在著較大的差異。通過施工方案的選擇和設計上的調整盡量將這種差異降至最低，以保證結構在施工過程中的安全性，以及建成后滿足設計使用的要求。由以上施工過程分析可見，以上這種施工方法，結構的變形趨勢接近設計狀態(tài)；結構的應力水平整體上說也是接近設計狀態(tài)的，因此可以保證施工過程中的安全性。溫度和風荷載對施工過程中結構的影響溫度對施工過程中結構的影響溫度是合龍分析中最重要的因素，由于本結構的體系為大跨度鋼結構體系，溫度作用下合龍構件兩端節(jié)點會發(fā)生變形，對合龍構件的長度、周圍構件應力等的影響需要重點考慮。自由構件在溫度變化時只產生變形而不受約束力作用。在結構合龍前，合龍構件兩側自由變形，溫度應力單獨存在于兩邊結構中。構件合龍后，兩邊結構在溫度、風等荷載作用下，其合龍構件兩端產生的變形差開始在合龍構件中產生內力，由于結構尚未完全成型，合龍構件可能處于較高的應力水平，是合龍分析的重要環(huán)節(jié)。溫度作用按其對結構影響的不同，又可分為均勻溫度變化作用和不均勻溫度變化作用（主要是日照在鋼結構表面產生局部升溫的情況），在確定合龍方案時重點考慮均勻溫度變化作用。合龍預計在1～2天內完成，所以考慮合龍過程中溫度變化影響時，只需考慮較短時間內的溫差變化。綜合考慮各種因素，取±20℃均勻溫差變化值。事實上，考慮±20℃的均勻溫差變化是較為偏于安全的，主要是防止萬一合龍過程時間較長而采取的較保守的參數。如果合龍較為順利，很可能從合龍當天的早晨起在一天之內完成，則溫度變化考慮±10℃一般來說就足夠了。下述分析將基于與溫度作用對施工過程的影響類似，風荷載也是影響結構施工的重要因素之一。由于本結構的體系為大跨度鋼結構體系，它的影響重點在局部連接以及連接之后。尤其在局部連接過程中，胎架以及主體結構還沒有形成完整的合龍體系，整體穩(wěn)定性能較差，所以是風荷載分析的重要環(huán)節(jié)。由于合龍過程持續(xù)時間較短，偏于安全考慮50年一遇風荷載，參照現有荷載規(guī)范，廣東地區(qū)50年一遇風荷載基本風壓為0.75KN/m2。根據以上原理，現將整個施工步驟分成四大部分，分別在stage1、stage5、stage9和stage10階段計算施工過程中風荷載對結構的影響，并按照相關規(guī)范進行驗算。STAGE1【第一階段】溫度荷載作用下的變形分析STAGE1溫度荷載下X-方向位移圖（DX）STAGE1溫度荷載下Y-方向位移圖（DY）STAGE1溫度荷載下Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為-11.28mm；Y方向最大變形DY為15.53mm；Z方向最大變形DZ為8.47mm，最大變形出現在現階段結構展望橋柱的頂部，測量定位時應考慮其影響。總結表格數據如下：WD_DX(mm)WD_DY(mm)WD_DZ(mm)單元等效應力Max(MPa)DXmaxDXminDYmaxDYminDZmaxDZmin9.18-11.2815.53-12.008.470-42.26風荷載作用下的變形分析X方向風荷載：STAGE1X方向風荷載下X-方向位移圖（WINDDX_DX）STAGE1X方向風荷載下Y-方向位移圖（WINDDX_DY）STAGE1X方向風荷載下Z-方向位移圖（WINDDX_DZ）X方向最大變形DX為10.15mm；Y方向最大變形DY為-2.77mm；Z方向最大變形DZ為-3.75mm，最大變形出現在樹形柱的頂部，可見此階段總體變形還是比較小的?？偨Y表格數據如下：WINDDX_DX(mm)WINDDX_DY(mm)WINDDX_DZ(mm)DXmaxDXminDYmaxDYminDZmaxDZmin10.1502.40-2.772.40-3.75Y方向風荷載：STAGE1Y方向風荷載下X-方向位移圖（WINDDY_DX）STAGE1Y方向風荷載下Y-方向位移圖（WINDDY_DY）STAGE1Y方向風荷載下Z-方向位移圖（WINDDY_DZ）X方向最大變形DX為-3.76mm；Y方向最大變形DY為8.89mm；Z方向最大變形DZ為4.00mm，詳細結果見下表?？偨Y表格數據如下：WINDDY_DX(mm)WINDDY_DY(mm)WINDDY_DZ(mm)DXmaxDXminDYmaxDYminDZmaxDZmin2.30-2.768.8904.00-2.97組合承載力驗算（考慮風荷載、溫度荷載和施工恒載的組合作用）STAGE1結構最大應力分布圖STAGE1構件應力比圖由以上分析可見溫度和風荷載對此施工階段的影響很小。STAGE5【第五階段】溫度作用下的變形分析STAGE5溫度荷載下X-方向位移圖（DX）STAGE5溫度荷載下Y-方向位移圖（DY）STAGE5溫度荷載下Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為-44.03mm；Y方向最大變形DY為21.60mm；Z方向最大變形DZ為11.23mm，最大變形出現在現階段結構上部，測量定位時應考慮其影響?？偨Y表格數據如下：WD_DX(mm)WD_DY(mm)WD_DZ(mm)DXmaxDXminDYmaxDYminDZmaxDZmin9.18-11.2815.53-12.008.470風荷載作用下的變形分析X方向風荷載：STAGE5X方向風荷載下X-方向位移圖（WINDDX_DX）STAGE5X方向風荷載下Y-方向位移圖（WINDDX_DY）STAGE5X方向風荷載下Z-方向位移圖（WINDDX_DZ）X方向最大變形DX為7.98mm；Y方向最大變形DY為-7.24mm；Z方向最大變形DZ為2.40mm，最大變形出現在樹形柱的頂部，可見此階段總體變形還是比較小的。總結表格數據如下：WINDDX_DX(mm)WINDDX_DY(mm)WINDDX_DZ(mm)DXmaxDXminDYmaxDYminDZmaxDZmin7.98-2.285.61-7.242.40-2.11Y方向風荷載：STAGE5Y方向風荷載下X-方向位移圖（WINDDY_DX）STAGE5Y方向風荷載下Y-方向位移圖（WINDDY_DY）STAGE5Y方向風荷載下Z-方向位移圖（WINDDY_DZ）X方向最大變形DX為-3.60mm；Y方向最大變形DY為5.59mm；Z方向最大變形DZ為-2.41mm，詳細結果見下表?？偨Y表格數據如下：WINDDY_DX(mm)WINDDY_DY(mm)WINDDY_DZ(mm)DXmaxDXminDYmaxDYminDZmaxDZmin2.07-3.605.59-0.251.81-2.41組合承載力驗算（考慮風荷載、溫度荷載和施工恒載的組合作用）STAGE5結構最大應力分布圖STAGE5構件應力比圖由以上分析可見溫度和風荷載對此施工階段的影響很小。STAGE9【第九階段】溫度影響下的變形分析STAGE9溫度荷載下X-方向位移圖（DX）STAGE9溫度荷載下Y-方向位移圖（DY）STAGE9溫度荷載下Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為-24.64mm；Y方向最大變形DY為-40.77mm；Z方向最大變形DZ為29.61mm，最大變形出現在現階段結構上部和側面，測量定位時應考慮其影響?？偨Y表格數據如下：WD_DX(mm)WD_DY(mm)WD_DZ(mm)DXmaxDXminDYmaxDYminDZmaxDZmin21.11-24.6438.90-40.7729.61-8.65風荷載影響下的變形分析X方向風荷載：STAGE9X方向風荷載下X-方向位移圖（WINDDX_DX）STAGE9X方向風荷載下Y-方向位移圖（WINDDX_DY）STAGE9X方向風荷載下Z-方向位移圖（WINDDX_DZ）X方向最大變形DX為2.19mm；Y方向最大變形DY為-0.70mm；Z方向最大變形DZ為0.86mm，最大變形出現在樹形柱的頂部，可見此階段總體變形還是比較小的?？偨Y表格數據如下：WINDDX_DX(mm)WINDDX_DY(mm)WINDDX_DZ(mm)DXmaxDXminDYmaxDYminDZmaxDZmin2.19-0.090.59-0.700.86-0.73Y方向風荷載：STAGE9Y方向風荷載下X-方向位移圖（WINDDY_DX）STAGE9Y方向風荷載下Y-方向位移圖（WINDDY_DY）STAGE9Y方向風荷載下Z-方向位移圖（WINDDY_DZ）X方向最大變形DX為-0.99mm；Y方向最大變形DY為2.70mm；Z方向最大變形DZ為0.87，詳細結果見下表。總結表格數據如下：WINDDY_DX(mm)WINDDY_DY(mm)WINDDY_DZ(mm)DXmaxDXminDYmaxDYminDZmaxDZmin0.95-0.992.70-0.040.87-0.86組合承載力分析（考慮風荷載、溫度荷載和施工恒載的組合作用）STAGE9結構最大應力分布圖STAGE9構件應力比圖由以上分析可見溫度和風荷載對此施工階段的影響很小。STAGE10【第十階段】溫度作用下的變形分析STAGE10溫度荷載下X-方向位移圖（DX）STAGE10溫度荷載下Y-方向位移圖（DY）STAGE10溫度荷載下Z-方向位移圖（DZ）X方向最大變形DX為-25.61mm；Y方向最大變形DY為-40.69mm；Z方向最大變形DZ為30.92mm，最大變形出現在現階