环境温度对高层连体结构整体提升施工技术的影响分析

钢结构施工过程具有较强的非线性特性。钢结构设计时,一般以结构成型状态的边界、整体刚度、荷载及作用等条件进行设计分析。但空间异形结构施工过程中,结构刚度逐步成型,自重和附加荷载作用下,结构杆件内力和结构位移逐步累积和发展,因此施工过程中必须考虑结构的过程受力状态,进行施工力学仿真分析和结构与构件的承载能力验算,以确保施工精度、质量和安全性。本期刊出的6篇论文,基于浙江精工钢结构集团有限公司的重大项目实践和研究,分别介绍了高位复杂连体结构、轮辐式桁架悬挑结构、大高差双曲空间结构、三向网格结构采用非常规液压提升施工方法时的施工力学仿真分析、关键技术研究及其施工方案比选,相关结论可以为类似工程实施提供参考。

施工过程是保证结构使用性能可靠、质量达标的重要阶段,并且伴随社会经济的发展,对施工质量要求也逐渐提高。环境温度是影响施工精度、保证施工质量的关键因素,其在铁路、桥梁等大跨超长结构中广受关注,但在建筑结构的施工阶段研究较少。随着建筑结构设计日益复杂,体量日益增大,环境温度对施工的影响也开始显现。针对高层连体结构中常用的整体提升施工技术,探讨了环境温度在连体拼装以及连体提升这两个重要施工阶段的影响:1) 拼装阶段,连体结构受到下部拼装胎架、支撑架等措施的约束,使得其在温度作用下产生附加内力及变形,下部措施结构分别按极小水平约束与刚接两个极端条件考虑。2) 提升阶段,连体结构无水平约束,水平方向可自由变形,因而会显著影响连体在高空与塔楼结构对接精度的影响。为此提出将温度变形与施工变形进行叠加,从而综合考虑温度对连体提升精度的影响。分析中,以有限元模拟为基础,通过线性拟合获取关键对接点变形与温度的关系,进一步计算温度与对接错口量关系,从而得到错口量最小时的温度差,以此温差指导提升施工的时间安排。最后,以杭州云门钢结构工程为例,分析了环境温度在该项目中的影响。拼装阶段若不考虑胎架的水平约束,环境温度对结构的附加应力小。反之则会引起较大的附加应力,甚至超过钢材的屈服应力,该计算结果是基于极端情况下的计算,即温差变化大,约束强,实际工程条件出现的概率低。因此,建议应力分析中应根据工程项目的真实环境、措施使用等情况,选择合理的温差和边界条件进行分析,从而判断温差对结构附加应力的影响。对于云门钢结构的提升阶段,分析结果表明,当提升时的环境温度低于拼装时 27.6 ℃ 时,连体与塔楼错口量最低。由于该温差太大,不可能在真实环境中出现,由此可知,随着环境温度的降低,提升时的连体与塔楼错口量降低,从而有利于施工精度保证,因此建议应尽可能选择在清晨或傍晚进行合龙对接。

整体提升是一种结构在地面上拼装成整体,由提升设备将其提升至结构设计标高的施工方法。采用这种施工方法时,结构地面拼装的工程质量与安装进度可得到高效控制,同时避免了高空作业,从而降低了人力、物力的使用成本以及安装风险。因此整体提升在连体施工中应用广泛,如中交南方总部大厦工程(图 1)。连体提升的关键施工难点在于连体与塔楼的合龙精度,目前常采用结构预变形、增设施工过程监控等技术手段来保证整体施工精度,然而在多次施工实践中发现连体的高空对接精度控制仍存在一定难度,特别是对于大跨度的连体结构。

图 1　 中交南方总部大厦工程

影响连体高空对接精度的因素之一是环境温度。连体拼装完成后,需根据提升设备、装置的安装进度以及塔楼的施工进度(如塔楼浇筑的混凝土是否达到强度等)安排连体提升的时间。由此,连体拼装完成至连体提升存在时间差,因而导致连体拼装和提升两个施工阶段所处的环境温度发生改变。拼装完成后的连体暴露在露天环境中,极易受环境温度影响。同时,我国气候分明,在季节交替的时节,气温起伏大。以 2021 年 4 月西宁为例,该月西宁最高温度达 22 ℃,最低温度为 -3 ℃,最大温差达 25 ℃。

本文以连体整体提升施工工艺为基础,结合实际工程项目,分析环境温度对该施工建造技术的影响,并根据分析结果,给出相对合理的施工建议。

环境温度对连体施工阶段的影响主要体现在两个阶段,其一是连体拼装阶段,其二是连体提升阶段。为此采用通用的有限元分析软件 MIDAS 对这两个阶段时结构的应力及变形进行分析。

1.1　 MIDAS 有限元模型

1.1.1　 边界条件

边界条件的设定区分拼装和提升两个阶段。

拼装阶段考虑底部胎架对连体的竖向支撑作用。因此该约束作用设置为只受压单元。对于底部胎架的水平约束考虑两种极端情况,其一设为水平完全约束,对应于实际施工中胎架与连体采用焊接固定或者当连体质量大,其与胎架间横向静摩擦大时,可认为连体胎架位置的水平变形被完全限制。其二是忽略胎架的水平约束。

提升阶段底部无支撑,边界条件为实际提升点边界,即约束提升点的竖向变形,水平方向不做约束,为避免刚度矩阵奇异导致无法计算,实际模型建立时,在提升点水平位置设置极小的弹簧约束(弹簧刚度系数为 1 N/mm)。

1.1.2　 单元与材料模型

环境温度影响的有限元模型所采用材料和单元模型与施工分析模型一致,但需在材性中增设线膨胀系数,根据 GB 50017—2017《钢结构设计标准》、GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》建议钢材的线膨胀系数取为 1.2 10^-5 ℃^-1,混凝土取为 1.0 10^-5 ℃^-1。

1.2　 连体高空对接的环境温度影响分析

环境温度变化对高空拼接精度的影响主要体现在连体提升阶段。将该阶段中塔楼与连体的对接点变形分别记为 U_t(T) 和 U_l(T),其中 T 表示连体拼装结束至提升就位时的温度变化差值。变形 U_t(T) 和 U_l(T) 中包含了施工荷载与温度作用的影响,如式(1)所示。

式中:U_{t _con} 和 U_{l_con} 代表塔楼和连体在施工荷载作用下的变形,忽略该变形与温度变化间的关系;U_{t _ tem}(T) 和峰设土木网 U_{l_tem}(T) 分别代表塔楼和连体在温度作用下的变形。

采用 表示塔楼与连体对接口的错边量与截面组装间隙的综合影响,如式(2)所示, 越接近于 0,则表明连体与塔楼高空对接精准度越高。

为了计算 最小值的温度差值,先由式(3)计算对应的温度差 T,将此时的温度差称为最佳温度差 T_f,此后将 T_f 代入式(2)可以得到 _min。实际施工中,由于无法控制环境温度,因此最佳温度差仅作为提升施工控制建议。

以杭州西站云门钢结构工程(图 2)为研究对象,分析环境温度变化对连体整体提升的影响。

图 2　 杭州云门项目

2.1　 云门结构与施工概况

云门钢结构工程由两座 15 层塔楼与空中大跨连体组成(图 3)。塔楼结构为钢框架-支撑体系,结构顶层标高 80.000 m。连体主要由 4 道平面主桁架及钢梁组成,跨度 97 m。

图 3　 云门钢结构工程

云门项目的高空大跨连体是施工难点。连体施工采用“整体提升”的施工方法,连体在地面进行组拼,胎架沿中心轴线对称布置,具体如图 4 所示。

图 4　 拼装胎架布置(俯视图)

连体拼装完成后,将其整体提升至设计标高。连体就位时,需要与塔楼在其两侧进行对接,每侧共有 4 个对接面,分别对应连体 A, B, E, F 的 4 道主桁架(图 5)。后续分析中考虑每个对接面上、中、下层 3 个弦杆对接口,如图 5a 所示。

图 5　 对接口说明

2.2　 连体拼装阶段分析

连体拼装阶段不涉及高空精度的保证,因此只考虑温度对结构内应力的影响。

2.2.1　 无胎架水平约束

忽略底部胎架的水平约束,对连体施加 30 ℃ 的温差,分析结构的应力变化。由于连体单元采用梁单元,因此其应力差值指各单元端部截面(图 6)对应四角应力差值的最大值。图 7 给出了自重作用下以及自重和温度共同作用下的连体杆件应力差,应力的变化最大不超过 10 MPa,表明温度变化几乎不引起应力的改变。

图 6　 截面应力分析点

图 7　 无水平约束的连体应力变化

2.2.2　 胎架水平完全约束

从图 8 可知,若胎架施加水平约束,温度变化会使结构绝对应力差值增大很多,较多杆件出现了较大的附加应力(最大应力增量近 400 MPa),致使构件应力可能超过钢材的屈服强度。

图 8　 水平完全约束的连体应力变化

然而实际施工中这种情况可能出现的概率低,原因在于: 1) 实际工程中的水平约束强度介于完全约束与无约束之间,因此结构内应力会通过一定的变形方式来释放。2) 本分析施加了 30 ℃ 的温差,但实际工程可能仅限于特定时节的特定地区,因此该温差出现的可能性低。

通过上述分析可知,实际工程钢连体拼装时,对于温度敏感的杆件附近胎架可以通过释放水平约束保证拼装过程安全。

2.3　 连体提升阶段的分析

连体与塔楼对接精度是提升阶段的分析重点,提升前,连体与底部胎架的连接将被切断,由 2.2.1 节可知,水平无约束情况下温度变化对结构内应力基本没有影响,因此该阶段仅考虑结构的变形,即结构各对接口的三向变形。

2.3.1　 连体对接口 x 向变形

首先,对连体施加 30 ℃ 的温差进行变形分析,计算结果如表 1 所示。提升状态下,连体的各对接面的 x 向变形基本一致。后续为简便起见,仅以对接面 A 为例进行分析。

表 1　 温度作用下各对接口的 x 向变形 mm

图 9 给出对接面 A 每 10 ℃ 温度增量下的 x 向变形,图中纵坐标表示单个对接面的上、中、下对接口位置。施工杆件对接时,焊缝间隙一般预留 1 ~2 cm,因而得到每 10 ℃ 的变形占预留间隙的比为 26.8% ~ 54.6%,可见温度的变化对拼接精度影响显著。

注:设下层对接口顶面标高为 0;图中变形的正负参考图 5 和中标号。

图 9　 对接面 A 的 x 向变形

进一步以对接面 A 的下层对接口为例给出连体 x向变形和温度变化关系(图 10)。可见:连体对接口 x 向变形与温度变化呈明显的线性关系,因此采用一次函数对其进行拟合。同样地,对中层和上层的对接口进行分析,拟合结果由式(4)给出,考虑到中层和上层变形基本相同,因此采用同一关系式。下/中层和上层的拟合结果的 R² 值分别为 0.9999 和 1,表明计算拟合结果的精确性较好。

图 10　 x 向变形和温度变化关系

2.3.2　 连体对接口 y 向变形

表 2 给出了各对接面在温度作用(30 ℃)下 y向变形计算结果。连体 y 向变形基本关于 x 向中轴线对称,对接面 A 和 F 及对接面 B 和 E 变形数值几乎相同,但方向相反。出现这种变形情况是由于温度升高或降低时,钢连体往外膨胀或往内收缩所致。

表 2　 温度作用下各对接口的 y 向变形 mm

图 11 代表对接面 A(连体外侧对接面)和对接面 B(连体内侧对接面)每 10 ℃ 温度增量下的 y 向变形。图中纵坐标表示单个对接面的上、中、下对接口位置。相同的温度变化下,外侧对接面的 y 向变形明显大于内侧,这是由于外侧对接口变形累计了内侧对接口变形。此外,各对接面上、中、下三层的对接口变形基本一致。

图 11　 单个对接面的 y 向变形

同样以对接面 A 下层对接口为例,给出连体对接口 y 向变形与温度变化的关系(图 12)。可见: y 向变形和温度呈线性变化,并且同一对接面各层 y 向变形相同,因此采用式(5)表示 y 向变形与温度的关系。拟合式中正号用于对接面 A/B,负号用于对接面 E/F。经计算式(5)的拟合结果的 R² 值分别为 1 和 0.9994,表明拟合结果的准确性高。

图 12　 y 向变形和温度变化关系

2.3.3　 连体对接口 z 向变形

表 3 列出各对接面在 30 ℃ 温度作用下的 z 向变形。可知:每个对接面下层对接口 z 峰设土木网向无变形,不同对接面的中层与上层对接口变形基本一致。

表 3　 温度作用下各对接口的 z 向变形 mm

图 13 以对接面 A 为例给出了 z 向变形。可见:上层对接口变形大于中层对接口,这是由于上层对接口变形叠加了中层对接口的变形。

图 13　 对接面 A 的 z 向变形

同样以对接面 A 上层对接口为例,给出 z 向变形和温度变化关系(图 14),并同样用线性拟合式(6)表示,拟合结果的 R² 值为 0.9991 和 0.9984。

图 14　 z 向变形和温度变化关系

2.3.4　 塔楼对接口变形

塔楼对接口在温度作用下产生变形,与前文分析方法完全一致,此处不再赘述。根据分析结果,温度对主体结构对接口的 x 和 y 向变形几乎无影响,后续分析不再考虑。z 向变形与温度关系为:

在实际施工中,塔楼与连体对接是以下层对接口为基准的,因此不考虑塔楼下层对接口 z 向变形,中层与上层的对接口变形均改为针对下层对接口的变形差,由此式(7)可改为:

2.4　 叠加施工荷载后的变形分析

连体提升的施工荷载仅考虑连体本身的自重荷载。根据提升施工分析得到各对接口的变形值 U_{t_con}, U_{l_con}(表 4 和表 5)。表中列出了连体结构对接面 A 和对接面 B 的对接口提升到位时在自重作用下各方向变形值,另外对接面 E/F 数据分别与对接面 B/A 相似,此处不再罗列。

表 4　 连体对接口在提升荷载作用下的变形 mm

表 5　 塔楼对接口在提升荷载作用下的变形 mm

由此可得各对接口的综合施工荷载与温度荷载后的最终变形。以对接面 A 为例,式(9) ~ (11)给出了连体对接口的三向变形,式(12) ~ (14)给出了塔楼对接口的三向变形。

此外,表 6 列出了Ⓐ轴处连体的桁架上下层端部全站仪测得的拼装至脱胎后的变形差,并与前述理论结果对比,可知整体变化趋势基本一致,且最大误差不超过 10 mm,表明理论分析结果较为准确。

表 6　 Ⓐ轴拼装完成至脱胎后的变形差对比 mm

注:拼装阶段测量时气温约为 25 ℃,脱胎阶段测量时气温约为 13 ℃。

2.5　 连体对接最佳温度的分析

为了使连体提升到位后与塔楼结构对接时错口量最小,可将塔楼和连体最终变形,即式(9) ~ 式(14)代入式(2),从而计算偏差量 与温差间关系,并由式(3)计算可得最佳温度差 T_f 为 -27.6 ℃。显然在工程实际中这种降温的概率较低,此外,结合偏差量 与温差关系(图 15)可知,只要高空对接阶段的温度低于拼装阶段,则偏差量就会降低,有利于高空拼装。因此,针对实际施工,建议应尽可能选择在清晨或傍晚进行合龙对接。

图 15　 偏差量 与温差关系

基于连体结构整体提升施工技术,研究了环境温度在该施工过程中的影响,并以云门钢结构为对象做了详细的分析,具体结论如下:

1) 环境温度对提升施工的影响之一体现在连体地面拼装阶段。此时主要考虑结构内应力对连体的影响。云门钢结构项目中,若不考虑胎架的水平约束,结构中温度引起的附加应力较小。但若假定胎架水平完全约束,则会引起较大的附加应力,甚至超过屈服应力,该计算结果基于极端情况(温差变化大,约束强),而实际工程环境出现的概率低。因此,应力分析中应根据工程的真实环境,选择合理的温差和边界条件进行分析,从而判断温差对结构附加应力的影响。

2) 环境温度对连体提升的对接影响更为重要。通过线性拟合获取关键对接点变形与温度的关系,进一步计算温度与对接错口量关系,得到错口量最小时的温度差,以此温差指导提升施工的时间安排。对于云门钢结构,本文指出连体高空对接阶段的温度低于其拼装阶段,则可以降低对接偏差量,从而利于施工精度保证。