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摘要：由于本项目主体结构的复杂性，在正式施工之前通过计算机仿真模拟验算验证施工方案的可行性，以及明确施工过程中的质量控制重点与要点。
关键词：钢结构，施工，仿真模拟验算
中图分类号： TU391 文献标识码： A 文章编号：
1、前言
大同市图书馆为体型较大且不规则的结构，受力关系比较复杂，大跨度桁架和主楼内部悬挑结构，以及幕墙结构可能会存在较大的变形，为了分析结构施工过程总变形及受力的特点，从而针对性的在调整施工中不利变形和力的作用，对结构进行施工模拟分析。
（1）施工过程全过程模拟分析，给出结构变形分析结果；
（2）分析胎架反力变化过程，给出胎架反力包络值，供后续胎架设计参考；
（3）进行卸载过程模拟。
2、项目概述及结构特点
本工程大同市图书馆位于山西省大同市御东新区文化中心区府西路东侧的拟建大同市博物馆御东新馆东侧、拟建大同大剧院南侧，南邻待建城市公园，西邻在建大同市美术馆，北临在建大同市大剧院。本工程为大同市图书馆，局部地下一层，地上部分四层、部分二层、部分一层，最大檐口高度21.0m，建筑面积22197.66平方米。地上主体结构采用钢框架-混凝土筒体结构，楼盖为组合楼板，地下一层采用钢筋混凝土结构，非地下室部分框架柱与地下室部分在地面下通过拉梁连为整体，所有钢柱柱脚均采用埋入式钢柱脚（即钢柱锚入基础梁）。有地下室部分基础形式采用梁式筏板基础，无地下室部分基础形式采用柱下条形基础。结构安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防类（乙类）。该工程包括桁架，悬挑和幕墙等结构体系。
图书馆中央屋顶为大跨度复杂空间桁架结构。内部第四层为大跨度悬空结构与屋顶桁架连接，主体结构外侧为幕墙结构。屋顶桁架共计9榀，整榀总量约为35t，根据现场塔吊布置及运输条件，按三种形式分段：
1)整榀分段：HJ1按整榀分为二段，HJ2~6按整榀分为三段；
2)上下弦断开分段： HJ7~8上下弦断开，弦杆分为三段，其余腹杆均按上下弦自然分段；
3)自然分段：HJ9(桁架图中未显示)因跨度小，吨位不大，均按柱间自然分段。
3、施工方案
3.1 钢结构的总体安装思路流程
钢结构施工部署根据工程总体施工安排，从低向高分阶段施工；将钢结构分为地下钢结构、地上钢结构，地下钢结构包括地下钢框架，地上钢结构包括地上钢框架、楼梯坡道，幕墙网壳结构、大跨度屋顶桁架结构等。其中四层楼板有大跨度悬挑结构，该部分在顶层桁架结构安装完成后安装，幕墙结构安装在主体完成后安装。
3.2 施工步骤
根据施工单位提供的施工方案，在计算机中建立模型，在模型中模拟施工工序安排，详细步骤如下：
桁架部分安装：
桁架现场拼接节点需搭设支撑柱，支撑高度约31m。跟随主体结构安装胎架,支撑柱间斜撑加固；
安装桁架柱、柱与柱之间的连接桁架；
南侧HJ8分为三段，采用散件拼装，上下弦分为三段，所有腹杆断开。依次安装下弦立杆和上弦杆、腹杆；
方法同上安装南侧HJ7，安装完HJ7首段后，及时连接桁架纵向钢梁，保证稳定性；
安装HJ6分三段整体吊装安装，安装连接桁架纵向钢梁，保证稳定性；
方法同上依次安装HJ5、4、3、2、1；
安装HJ9分三段整体吊装安装，安装连接桁架纵向钢梁，保证稳定性；
安装屋面梁除少量剩余构件，结构基本安装完成，荷载完成40%；
胎架分步卸载；
安装剩余构件，主结构封顶；
拆除胎架、幕墙、次结构、装修完成，结构竣工交付使用；
正常使用状态。
其中
a.施工分析步1~8模拟结构从开始施工至卸载前，为安全起见，卸载前主要钢结构安装完成，混凝土楼板局部未浇；
b.施工分析步9为卸载过程，为卸载控制方便并依据类似工程经验，暂考虑按逐级增加的方案，分级逐步卸载。
c.施工分析步10~12为卸载完后浇注剩余混凝土楼板、装修完成、竣工、交付使用的状态
3.3 施工胎架布置
本工程胎架主要为钢管格构式和钢管式支撑胎架，材质采用Q345B，钢管格构式胎架主要支屋顶桁架结构，格构式胎架由无缝钢管组成，标准节尺寸为6mx1.5mx1.5m，标准节对接组装成支撑胎架，胎架立杆为Φ 219x16，横管为Φ152x16，斜杆为152x16；幕墙结构胎架分别采用Φ325x20，Φ500x20，Φ625x25的钢管支撑。
4、模拟计算分析过程
施工过程模拟预演整个施工过程，分析结构及施工措施的力学特征变化规律，既是对设计过程中结构构件实际内力的重要模拟手段，也是部分施工措施设计的前提条件。全过程模拟计算分析软件采用通用有限元分析与设计软件SAP2000 v14.2.3。
（1）楼板按弹性楼板考虑，楼板等效厚度同原设计。
（2）考虑几何非线性P-Δ效应；
（3）施工模拟分析模型中，胎架按构件实际（设计）形式、截面建模，能够反映胎架实际刚度参数。
4.1安装分析
1）通过模型逐步加载或卸载，计算出各个施工步骤的各个观测点反力并列表分析；
2）胎架卸载前的结构施工进度与胎架反力关系密切，施工进度越快，胎架承担的最大反力越大，胎架设计时应注意此问题。上述结果为附加恒载、隔墙、幕墙完成40%时胎架反力，是预估的较快进度，计算的胎架反力偏大。
3） 分析表明：施工进度虽然对胎架反力影响较大，但相对而言，施工进度对结构的最终变形影响较小。也就是说施工只要保持正常速度，让荷载均匀逐步加载在胎架上，即不会对支撑体系产生过多不利影响。
4.2变性分析
同样通过计算得出结构各个阶段的各个观测点的变形量，通过变形量的比对分析结构。桁架结构的最大的跨中变形为结构最大变形处，我们取变形最不利桁架的最不利点进行变形历程分析：
1） 控制点变形水平分量为1.886mm，竖向位移分量为-79.097mm，也就是说水平分量远小于竖向位移分量，节点变形以竖向位移为主；
2） 由于胎架卸载过程，桁架跨度、桁架梁截面不同，其竖向位移量差别较大，按本文施工步施工，累计最大挠度90mm，小于规范规定的永久和可变载荷标准值产生的挠度的容许值。为保证工程完成后各构件变形后到达原位，制作过程中应该预调起拱。
4.3 胎架反力
从施工全過程模拟分析结果中得出胎架反力各阶段值和所有阶段包络图。根据结构受力特点，选取以下典型胎架：典型胎架反力历程（全为压力），HJ2~8桁架跨中胎架受力最大。
胎架受力特点如下：
1） 胎架仅承担压力；
2） 各胎架在初始状态时反力为152KN(包含胎架自重)。
3） 随结构施工进行胎架开始承担荷载，胎架反力随施工进度增加而逐渐增大，在卸载前达到最1140KN；
4） 随后开始卸载，胎架上荷载逐渐转移至主体结构，胎架反力肯定归零，部分胎架可能提前归零，表示提前卸载完毕，与主体结构脱开。
5） 要注意的是卸载过程对胎架的反力有所影响，当采用不同的卸载过程，应当另行分析反力的变化。
5、结论
（1）本文根据最新的施工进度计划进行了施工过程全过程模拟分析，给出了结构变形、胎架反力等分析结果。
（2）用于施工模拟分析的SAP2000模型导自原设计SAP2000模型。胎架模拟根据最新的胎架布置，在分析中考虑了胎架的实际刚度，分析结果可以更准确反映结构变形过程及胎架受力情况；
（3）根据施工模拟分析结果分析，桁架最大变形发生在卸载完毕后跨中为90mm，幕墙最大变形控制点在裙房斜坡处为60mm，其它各点的变形量小于此值。施工安装过程中为保证工程完成后各构件变形后到达原位，制作过程中应该预调起拱。
（4）分步卸载方案的卸载过程模拟分析表明，卸载过程中结构变形较为平稳，未出现较明显的变形和应力突变，是可行的方案。
（5）根据分析结果给出典型胎架反力变化过程，供后续胎架设计参考；所有胎架最大反力1140KN。值得注意的是，上述胎架反力是依据卸载前完成80%结构附加恒载计算得出的。如实际施工过程有变，胎架反力有可能发生变化，应调整计算参数重新计算。
参考文献：
1、 《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001（2006 版））
2、 《钢结构设计规范》（GB50017—2003）
3、 《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）
4、《高层民用建筑钢结构技术规范》（JGJ99—98）
5、《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ3—2010）
6、《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138—2001）
关键词：钢结构，施工，仿真模拟验算
中图分类号： TU391 文献标识码： A 文章编号：
1、前言
大同市图书馆为体型较大且不规则的结构，受力关系比较复杂，大跨度桁架和主楼内部悬挑结构，以及幕墙结构可能会存在较大的变形，为了分析结构施工过程总变形及受力的特点，从而针对性的在调整施工中不利变形和力的作用，对结构进行施工模拟分析。
（1）施工过程全过程模拟分析，给出结构变形分析结果；
（2）分析胎架反力变化过程，给出胎架反力包络值，供后续胎架设计参考；
（3）进行卸载过程模拟。
2、项目概述及结构特点
本工程大同市图书馆位于山西省大同市御东新区文化中心区府西路东侧的拟建大同市博物馆御东新馆东侧、拟建大同大剧院南侧，南邻待建城市公园，西邻在建大同市美术馆，北临在建大同市大剧院。本工程为大同市图书馆，局部地下一层，地上部分四层、部分二层、部分一层，最大檐口高度21.0m，建筑面积22197.66平方米。地上主体结构采用钢框架-混凝土筒体结构，楼盖为组合楼板，地下一层采用钢筋混凝土结构，非地下室部分框架柱与地下室部分在地面下通过拉梁连为整体，所有钢柱柱脚均采用埋入式钢柱脚（即钢柱锚入基础梁）。有地下室部分基础形式采用梁式筏板基础，无地下室部分基础形式采用柱下条形基础。结构安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防类（乙类）。该工程包括桁架，悬挑和幕墙等结构体系。
图书馆中央屋顶为大跨度复杂空间桁架结构。内部第四层为大跨度悬空结构与屋顶桁架连接，主体结构外侧为幕墙结构。屋顶桁架共计9榀，整榀总量约为35t，根据现场塔吊布置及运输条件，按三种形式分段：
1)整榀分段：HJ1按整榀分为二段，HJ2~6按整榀分为三段；
2)上下弦断开分段： HJ7~8上下弦断开，弦杆分为三段，其余腹杆均按上下弦自然分段；
3)自然分段：HJ9(桁架图中未显示)因跨度小，吨位不大，均按柱间自然分段。
3、施工方案
3.1 钢结构的总体安装思路流程
钢结构施工部署根据工程总体施工安排，从低向高分阶段施工；将钢结构分为地下钢结构、地上钢结构，地下钢结构包括地下钢框架，地上钢结构包括地上钢框架、楼梯坡道，幕墙网壳结构、大跨度屋顶桁架结构等。其中四层楼板有大跨度悬挑结构，该部分在顶层桁架结构安装完成后安装，幕墙结构安装在主体完成后安装。
3.2 施工步骤
根据施工单位提供的施工方案，在计算机中建立模型，在模型中模拟施工工序安排，详细步骤如下：
桁架部分安装：
桁架现场拼接节点需搭设支撑柱，支撑高度约31m。跟随主体结构安装胎架,支撑柱间斜撑加固；
安装桁架柱、柱与柱之间的连接桁架；
南侧HJ8分为三段，采用散件拼装，上下弦分为三段，所有腹杆断开。依次安装下弦立杆和上弦杆、腹杆；
方法同上安装南侧HJ7，安装完HJ7首段后，及时连接桁架纵向钢梁，保证稳定性；
安装HJ6分三段整体吊装安装，安装连接桁架纵向钢梁，保证稳定性；
方法同上依次安装HJ5、4、3、2、1；
安装HJ9分三段整体吊装安装，安装连接桁架纵向钢梁，保证稳定性；
安装屋面梁除少量剩余构件，结构基本安装完成，荷载完成40%；
胎架分步卸载；
安装剩余构件，主结构封顶；
拆除胎架、幕墙、次结构、装修完成，结构竣工交付使用；
正常使用状态。
其中
a.施工分析步1~8模拟结构从开始施工至卸载前，为安全起见，卸载前主要钢结构安装完成，混凝土楼板局部未浇；
b.施工分析步9为卸载过程，为卸载控制方便并依据类似工程经验，暂考虑按逐级增加的方案，分级逐步卸载。
c.施工分析步10~12为卸载完后浇注剩余混凝土楼板、装修完成、竣工、交付使用的状态
3.3 施工胎架布置
本工程胎架主要为钢管格构式和钢管式支撑胎架，材质采用Q345B，钢管格构式胎架主要支屋顶桁架结构，格构式胎架由无缝钢管组成，标准节尺寸为6mx1.5mx1.5m，标准节对接组装成支撑胎架，胎架立杆为Φ 219x16，横管为Φ152x16，斜杆为152x16；幕墙结构胎架分别采用Φ325x20，Φ500x20，Φ625x25的钢管支撑。
4、模拟计算分析过程
施工过程模拟预演整个施工过程，分析结构及施工措施的力学特征变化规律，既是对设计过程中结构构件实际内力的重要模拟手段，也是部分施工措施设计的前提条件。全过程模拟计算分析软件采用通用有限元分析与设计软件SAP2000 v14.2.3。
（1）楼板按弹性楼板考虑，楼板等效厚度同原设计。
（2）考虑几何非线性P-Δ效应；
（3）施工模拟分析模型中，胎架按构件实际（设计）形式、截面建模，能够反映胎架实际刚度参数。
4.1安装分析
1）通过模型逐步加载或卸载，计算出各个施工步骤的各个观测点反力并列表分析；
2）胎架卸载前的结构施工进度与胎架反力关系密切，施工进度越快，胎架承担的最大反力越大，胎架设计时应注意此问题。上述结果为附加恒载、隔墙、幕墙完成40%时胎架反力，是预估的较快进度，计算的胎架反力偏大。
3） 分析表明：施工进度虽然对胎架反力影响较大，但相对而言，施工进度对结构的最终变形影响较小。也就是说施工只要保持正常速度，让荷载均匀逐步加载在胎架上，即不会对支撑体系产生过多不利影响。
4.2变性分析
同样通过计算得出结构各个阶段的各个观测点的变形量，通过变形量的比对分析结构。桁架结构的最大的跨中变形为结构最大变形处，我们取变形最不利桁架的最不利点进行变形历程分析：
1） 控制点变形水平分量为1.886mm，竖向位移分量为-79.097mm，也就是说水平分量远小于竖向位移分量，节点变形以竖向位移为主；
2） 由于胎架卸载过程，桁架跨度、桁架梁截面不同，其竖向位移量差别较大，按本文施工步施工，累计最大挠度90mm，小于规范规定的永久和可变载荷标准值产生的挠度的容许值。为保证工程完成后各构件变形后到达原位，制作过程中应该预调起拱。
4.3 胎架反力
从施工全過程模拟分析结果中得出胎架反力各阶段值和所有阶段包络图。根据结构受力特点，选取以下典型胎架：典型胎架反力历程（全为压力），HJ2~8桁架跨中胎架受力最大。
胎架受力特点如下：
1） 胎架仅承担压力；
2） 各胎架在初始状态时反力为152KN(包含胎架自重)。
3） 随结构施工进行胎架开始承担荷载，胎架反力随施工进度增加而逐渐增大，在卸载前达到最1140KN；
4） 随后开始卸载，胎架上荷载逐渐转移至主体结构，胎架反力肯定归零，部分胎架可能提前归零，表示提前卸载完毕，与主体结构脱开。
5） 要注意的是卸载过程对胎架的反力有所影响，当采用不同的卸载过程，应当另行分析反力的变化。
5、结论
（1）本文根据最新的施工进度计划进行了施工过程全过程模拟分析，给出了结构变形、胎架反力等分析结果。
（2）用于施工模拟分析的SAP2000模型导自原设计SAP2000模型。胎架模拟根据最新的胎架布置，在分析中考虑了胎架的实际刚度，分析结果可以更准确反映结构变形过程及胎架受力情况；
（3）根据施工模拟分析结果分析，桁架最大变形发生在卸载完毕后跨中为90mm，幕墙最大变形控制点在裙房斜坡处为60mm，其它各点的变形量小于此值。施工安装过程中为保证工程完成后各构件变形后到达原位，制作过程中应该预调起拱。
（4）分步卸载方案的卸载过程模拟分析表明，卸载过程中结构变形较为平稳，未出现较明显的变形和应力突变，是可行的方案。
（5）根据分析结果给出典型胎架反力变化过程，供后续胎架设计参考；所有胎架最大反力1140KN。值得注意的是，上述胎架反力是依据卸载前完成80%结构附加恒载计算得出的。如实际施工过程有变，胎架反力有可能发生变化，应调整计算参数重新计算。
参考文献：
1、 《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001（2006 版））
2、 《钢结构设计规范》（GB50017—2003）
3、 《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）
4、《高层民用建筑钢结构技术规范》（JGJ99—98）
5、《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ3—2010）
6、《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138—2001）