鹽城電視塔——觀光層懸挑結(jié)構(gòu) 施工過程模擬分析研究.doc

鹽城電視塔觀光層懸挑結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析研究徐鶴松 張軍江蘇中南建筑產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司摘 要 鹽城電視塔在標(biāo)高114.45m高空四個(gè)方向設(shè)置懸挑13.40m觀光層，觀光層通過空中環(huán)行走道連接。結(jié)構(gòu)施工中利用標(biāo)高114.45m鋼結(jié)構(gòu)+空中環(huán)行走道+預(yù)應(yīng)力臨時(shí)拉索形成的結(jié)構(gòu)體系作為上部結(jié)構(gòu)施工操作平臺(tái)；通過有限元數(shù)值分析，提出施工過程控制的主要參數(shù)及其控制準(zhǔn)則，根據(jù)力學(xué)模型對(duì)施工過程進(jìn)行模擬計(jì)算，評(píng)價(jià)施工過程中結(jié)構(gòu)的受力性態(tài)以及安全性。關(guān)鍵詞 懸挑 結(jié)構(gòu) 施工 分析1 工程概況1.1 建筑概況鹽城電視塔主塔地下2層，地上總高度195m；其中標(biāo)高114.45m為觀光廳，標(biāo)高145m上部為天線。主塔平面呈八角形，八角形邊長為3438mm，主塔標(biāo)準(zhǔn)層平面見圖1.1。圖1.1 主塔標(biāo)準(zhǔn)層平面圖1.2 結(jié)構(gòu)概況主塔采用雙鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu)（簡稱“SPSW”），主塔筒壁厚度為300mm，筒壁內(nèi)外側(cè)鋼板通過栓釘、連接鋼筋及加勁板與筒壁內(nèi)后澆筑混凝土形成整體結(jié)構(gòu)，鋼板材質(zhì)為Q345B，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為七度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。主塔標(biāo)高114.45m處四個(gè)方向觀光廳結(jié)構(gòu)自主塔筒壁外側(cè)伸出長度為13400mm，上部各通過2根100不銹鋼拉桿與主塔筒壁斜拉連接，四個(gè)方向觀光廳通過空中環(huán)行走道相連接。觀光廳結(jié)構(gòu)立面及結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖見圖1.2-1圖1.2-2。 圖1.2-1 觀光廳結(jié)構(gòu)立面圖 圖1.2-2 觀光廳結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖2 觀光層結(jié)構(gòu)施工工藝流程觀光層結(jié)構(gòu)施工遵循“分單元拼裝、分單元對(duì)稱吊裝，設(shè)置臨時(shí)輔助拉索”的原則進(jìn)行施工。觀光層結(jié)構(gòu)施工總體思路為：利用外施工平臺(tái)安裝標(biāo)高107.167m斜支撐結(jié)構(gòu)，利用標(biāo)高114.45m鋼結(jié)構(gòu)+空中環(huán)形走道+預(yù)應(yīng)力臨時(shí)拉索形成的結(jié)構(gòu)體系作為上部結(jié)構(gòu)施工操作平臺(tái)，確保施工階段安全。觀光層結(jié)構(gòu)的施工工藝流程如圖2所示。圖2 觀光層結(jié)構(gòu)施工工藝流程圖3 研究計(jì)算軟件采用大型通用有限元軟件ANSYS13.0分析計(jì)算。4 觀光層結(jié)構(gòu)施工階段分析依據(jù)觀光層結(jié)構(gòu)施工安裝順序，仍選取四種施工狀態(tài)分別建立模型進(jìn)行計(jì)算分析，觀光層結(jié)構(gòu)的施工分析狀態(tài)如表4所示。表4 觀光層結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)施工狀態(tài)編號(hào)施工狀態(tài)1觀光層下層鋼結(jié)構(gòu)+臨時(shí)拉索安裝完畢2觀光層結(jié)構(gòu)走道鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢3整個(gè)觀光層結(jié)構(gòu)安裝完畢+臨時(shí)拉索未拆除+結(jié)構(gòu)拉索未安裝4整個(gè)觀光層結(jié)構(gòu)安裝完畢+臨時(shí)拉索拆除+結(jié)構(gòu)拉索安裝完畢4.1 觀光層第一施工狀態(tài)為保證長懸挑觀光層結(jié)構(gòu)的施工安全，并減少長懸挑結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致的施工誤差，設(shè)置臨時(shí)拉索，通過控制臨時(shí)拉索的預(yù)拉力來控制懸挑端的變形，通過不斷試算，最終將臨時(shí)拉索的預(yù)拉力確定為50kN。（1）內(nèi)力分布當(dāng)觀光層結(jié)構(gòu)施工到第一施工狀態(tài)時(shí)，觀光層結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布、混凝土主應(yīng)力分布、主塔筒體鋼板Mises應(yīng)力和鋼梁Mises應(yīng)力如圖4.1-1圖4.1-4。 圖4.1-1 觀光層第一施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖 圖4.1-2 觀光層第一施工狀態(tài)混凝土應(yīng)力分布圖 圖4.1-3 觀光層第一施工狀態(tài)鋼板應(yīng)力分布圖 圖4.1-4 觀光層第一施工狀態(tài)鋼梁應(yīng)力分布圖由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可看出，觀光層第一施工階段完成時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力為8.74MPa，主塔筒體鋼板剪力墻鋼板的最大應(yīng)力為36.80MPa，最大應(yīng)力位于鋼板剪力墻根部；觀光層鋼梁最大應(yīng)力為44.20MPa。數(shù)據(jù)結(jié)果表明：混凝土主應(yīng)力較小，此時(shí)混凝土未開裂；鋼板Mises應(yīng)力和鋼梁Mises應(yīng)力均較小，此時(shí)鋼板和鋼梁均未屈服，結(jié)構(gòu)滿足安全要求。（2）變形特征當(dāng)觀光層結(jié)構(gòu)施工到第一施工狀態(tài)時(shí)，觀光層結(jié)構(gòu)整體總變形、X向變形、Y向變形和Z向變形和鋼梁整體變形如圖4.1-5圖4.1-9所示。 圖4.1-5 觀光層第一施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)總變形圖 圖4.1-6 觀光層第一施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)X向變形圖 圖4.1-7 觀光層第一施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)Y向變形圖 圖4.1-8 觀光層第一施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)Z向變形圖圖4.1-9 觀光層第一施工狀態(tài)鋼梁整體變形圖由變形計(jì)算結(jié)果可看出，觀光層第一施工階段完成時(shí)，結(jié)構(gòu)整體變形最大值為54.727mm，水平變形最大值為54.204mm，豎向變形最大值為23.633mm；觀光層鋼梁最大變形值為54.312mm。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)變形量較小，滿足后續(xù)結(jié)構(gòu)安裝要求。4.2 觀光層第二施工狀態(tài)（1）內(nèi)力分布當(dāng)觀光層結(jié)構(gòu)施工到第二施工狀態(tài)時(shí)，觀光層結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布、混凝土主應(yīng)力分布、主塔筒體鋼板Mises應(yīng)力和鋼梁Mises應(yīng)力如圖4.2-1圖4.2-4。 圖4.2-1 觀光層第二施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖 圖4.2-2 觀光層第二施工狀態(tài)混凝土應(yīng)力分布圖 圖4.2-3 觀光層第二施工狀態(tài)鋼板應(yīng)力分布圖 圖4.2-4 觀光層第二施工狀態(tài)鋼梁應(yīng)力分布圖由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可看出，觀光層第二施工階段完成時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力為8.75MPa，主塔筒體鋼板剪力墻鋼板的最大應(yīng)力為36.90MPa，最大應(yīng)力位于鋼板剪力墻根部；觀光層鋼梁最大應(yīng)力為57.30MPa。數(shù)據(jù)結(jié)果表明：混凝土主應(yīng)力較小，此時(shí)混凝土未開裂；鋼板Mises應(yīng)力和鋼梁Mises應(yīng)力均較小，此時(shí)鋼板和鋼梁均未屈服，結(jié)構(gòu)滿足安全要求。（2）變形特征當(dāng)觀光層結(jié)構(gòu)施工到第二施工狀態(tài)時(shí)，觀光層結(jié)構(gòu)整體總變形、X向變形、Y向變形和Z向變形和鋼梁整體變形如圖4.2-5圖4.2-9所示。 圖4.2-5 觀光層第二施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)總變形圖 圖4.2-6 觀光層第二施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)X向變形圖 圖4.2-7 觀光層第二施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)Y向變形圖 圖4.2-8 觀光層第二施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)Z向變形圖圖4.2-9 觀光層第二施工狀態(tài)鋼梁整體變形圖由變形計(jì)算結(jié)果可看出，觀光層第二施工階段完成時(shí)，結(jié)構(gòu)整體變形最大值為54.739mm，水平變形最大值為54.211mm，豎向變形最大值為24.760mm；觀光層鋼梁最大變形值為54.334mm。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)變形量較小，滿足后續(xù)結(jié)構(gòu)安裝要求。4.3 觀光層第三施工狀態(tài)（1）內(nèi)力分布當(dāng)觀光層結(jié)構(gòu)施工到第三施工狀態(tài)時(shí)，觀光層結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布、混凝土主應(yīng)力分布、主塔筒體鋼板Mises應(yīng)力和鋼梁Mises應(yīng)力如圖4.3-1圖4.3-4。 圖4.3-1 觀光層第三施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖 圖4.3-2 觀光層第三施工狀態(tài)混凝土應(yīng)力分布圖 圖4.3-3 觀光層第三施工狀態(tài)鋼板應(yīng)力分布圖 圖4.3-4 觀光層第三施工狀態(tài)鋼梁應(yīng)力分布圖由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可看出，觀光層第三施工階段完成時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力為8.78MPa，主塔筒體鋼板剪力墻鋼板的最大應(yīng)力為37.50MPa，最大應(yīng)力位于鋼板剪力墻根部；觀光層鋼梁最大應(yīng)力為78.60MPa。數(shù)據(jù)結(jié)果表明：混凝土主應(yīng)力較小，此時(shí)混凝土未開裂；鋼板Mises應(yīng)力和鋼梁Mises應(yīng)力均較小，此時(shí)鋼板和鋼梁均未屈服，結(jié)構(gòu)滿足安全要求。（2）變形特征當(dāng)觀光層結(jié)構(gòu)施工到第三施工狀態(tài)時(shí)，觀光層結(jié)構(gòu)整體總變形、X向變形、Y向變形和Z向變形和鋼梁整體變形如圖4.3-5圖4.3-9所示。 圖4.3-5 觀光層第三施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)總變形圖 圖4.3-6 觀光層第三施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)X向變形圖 圖4.3-7 觀光層第三施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)Y向變形圖 圖4.3-8 觀光層第三施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)Z向變形圖圖4.3-9 觀光層第三施工狀態(tài)鋼梁整體變形圖由變形計(jì)算結(jié)果可看出，觀光層第三施工階段完成時(shí)，結(jié)構(gòu)整體變形最大值為65.194mm，水平變形最大值為56.691mm，豎向變形最大值為43.242mm；觀光層鋼梁最大變形值為65.194mm。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)變形量較小，滿足后續(xù)結(jié)構(gòu)安裝要求。4.4 觀光層第四施工狀態(tài)（1）內(nèi)力分布當(dāng)觀光層結(jié)構(gòu)施工到第四施工狀態(tài)時(shí)，觀光層結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布、混凝土主應(yīng)力分布、主塔筒體鋼板Mises應(yīng)力和鋼梁Mises應(yīng)力如圖4.1-4圖4.1-4。 圖4.4-1 觀光層第四施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖 圖4.4-2 觀光層第四施工狀態(tài)混凝土應(yīng)力分布圖 圖4.4-3 觀光層第四施工狀態(tài)鋼板應(yīng)力分布圖 圖4.4-4 觀光層第四施工狀態(tài)鋼梁應(yīng)力分布圖由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可看出，觀光層第四施工階段完成時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力為8.78MPa，主塔筒體鋼板剪力墻鋼板的最大應(yīng)力為37.50MPa，最大應(yīng)力位于鋼板剪力墻根部；觀光層鋼梁最大應(yīng)力為47.90MPa。數(shù)據(jù)結(jié)果表明：混凝土主應(yīng)力較小，此時(shí)混凝土未開裂；鋼板Mises應(yīng)力和鋼梁Mises應(yīng)力均較小，此時(shí)鋼板和鋼梁均未屈服，結(jié)構(gòu)滿足安全要求。（2）變形特征當(dāng)觀光層結(jié)構(gòu)施工到第四施工狀態(tài)時(shí)，觀光層結(jié)構(gòu)整體總變形、X向變形、Y向變形和Z向變形和鋼梁整體變形如圖4.4-5圖4.4-9所示。 圖4.4-5 觀光層第四施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)總變形圖 圖4.4-6 觀光層第四施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)X向變形圖 圖4.4-7 觀光層第四施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)Y向變形圖 圖4.4-8 觀光層第四施工狀態(tài)主體結(jié)構(gòu)Z向變形圖圖4.4-9 觀光層第四施工狀態(tài)鋼梁整體變形圖由變形計(jì)算結(jié)果可看出，觀光層第四施工階段完成時(shí)，結(jié)構(gòu)整體變形最大值為61.562mm，水平變形最大值為56.687mm，豎向變形最大值為37.907mm；觀光層鋼梁最大變形值為61.562mm。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)變形量較小，滿足后續(xù)結(jié)構(gòu)安裝要求。5 施工驗(yàn)算結(jié)果（1）觀光層施工期間內(nèi)力觀光層施工期間鋼板剪力墻混凝土主應(yīng)力值較小，基本保持8.7MPa左右。觀光層施工期間主塔筒體鋼板剪力墻鋼板Mises應(yīng)力值不大，基本保持37.0MPa左右。觀光層施工期間，鋼梁Mises應(yīng)力變化幅度不大，最小值為44.20MPa，最大值為78.60MPa。其中，從施工步1到施工步3（即觀光層鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢，臨時(shí)拉索未拆除，結(jié)構(gòu)拉索未安裝）鋼梁Mises應(yīng)力增加至最大值78.60MPa。當(dāng)臨時(shí)拉索拆除，結(jié)構(gòu)拉索安裝完畢后，鋼梁應(yīng)力減小至47.90MPa，可見結(jié)構(gòu)拉索能夠有效減小鋼梁應(yīng)力。（2）觀光層施工期間變形觀光層施工期間主塔筒體結(jié)構(gòu)整體變形幅度較小，最小變形值為54.727mm，最大值為65.194mm。其中，從施工步1到施工步3（即觀光層鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢，臨時(shí)拉索未拆除，結(jié)構(gòu)拉索未安裝）主塔筒體結(jié)構(gòu)整體變形增加至最大值65.194mm。當(dāng)臨時(shí)拉索拆除，結(jié)構(gòu)拉索安裝完畢后，主塔筒體結(jié)構(gòu)整體變形減小至61.562mm，可見結(jié)構(gòu)拉索能夠有效減小主塔筒體結(jié)構(gòu)整體變形。觀光層施工期間主塔筒體結(jié)構(gòu)水平變形幅度較小，最小變形值為54.204mm，最大值為56.691mm。其中，從施工步1到施工步3（即觀光層鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢，臨時(shí)拉索未拆除，結(jié)構(gòu)拉索未安裝）主塔筒體結(jié)構(gòu)水平變形增加至最大值56.691mm。當(dāng)臨時(shí)拉索拆除，結(jié)構(gòu)拉索安裝完畢后，主塔筒體結(jié)構(gòu)水平變形為56.687mm，可見結(jié)構(gòu)拉索對(duì)控制主塔筒體結(jié)構(gòu)水平變形基本無作用。觀光層施工期間，主塔筒體結(jié)構(gòu)豎向變形幅度不大，最小變形值為23.633mm，最大值為43.242mm。其中，從施工步1到施工步3（即觀光層鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢，臨時(shí)拉索未拆除，結(jié)構(gòu)拉索未安裝）主塔筒體結(jié)構(gòu)豎向變形增加至最大值43.242mm。當(dāng)臨時(shí)拉索拆除，結(jié)構(gòu)拉索安裝完畢后，主塔筒體結(jié)構(gòu)豎向變形減小為37.907mm，可見結(jié)構(gòu)拉索對(duì)控制主塔筒體結(jié)構(gòu)豎向變形能起到一定作用。觀光層施工期間，鋼梁變形幅度較小，最小變形值為54.194mm，最大值為65.194mm。其中，從施工步1到施工步3（即觀光層鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢，臨時(shí)拉索未拆除，結(jié)構(gòu)拉索未安裝）鋼