某大跨度悬挑钢连廊卸载多尺度有限元模拟及分析

第33卷第5期 2017年10月结构工程师Structural E ngineersVol. 33 , No. 5Oct. 2017某大跨度悬挑钢连廊卸载多尺度有限元模拟及分析杨伟%，2，！(1.福建省建筑科学研究院，福州350025$ 2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州350025)摘要采用M ID A S/G E N软件分别建立了多尺度有限元模型和简化有限元模型对某大跨度悬挑钢连廊施工卸载后的受力状态进行有限元分析。

在结构牛腿节点采用精细化模型，其余构件采用梁单元的多尺度有限元模型与全部采用梁单元的简化模型的模拟结果进行对比分析，可以发现:二者在结构整体受力和变形方面可保持基本一致，但简化模型无法体现牛腿节点处的复杂受力状态；而多尺度模型则可明显观测到牛腿节点处各板件的局部应力，并能够体现牛腿钢梁处受到的扭转效应，对分析牛腿节点安全具有重要意义。

同时，应力实际监测结果与多尺度模拟结果也更为接近，进一步证明了所采用的多尺度有限元分析方法准确、可靠，从而为保障施工卸载安全提供更加有力的技术支撑。

关键词多尺度有限元法，监测，大悬挑，钢梁Multi-scale Finite Element Simulation Analysis of a LargeSpan Cantilever Steel Gallery after UnloadingYANG W ei1，2，*(1. Fujian Academy of Building Research，Fuzhou 350025, China；2. Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology，Fuzhou 350025，China)A b s tra c t M ulti-scale finite elem ent m odel and sim plified m odel of a large span cantilever steel gallery arebuilt by using M IDA S^G EN softw are，i. e. ，a refined m eslied elem ents are used in the key parts of b ra c k e t，andbeam elem ets are used in the rem aining beam m em bers. T he sim ulation results of tlie m ulti-scale sim plified m odel all u sed the beam elem ets w ere com pared. It could be found that t!ie two m odels can rem ainbasically the sam e in the overall structural deform ation and overall stress，but sim plified m odel could the com plex stress state of a bracket. W h ile，the local stress of each plate of corl)el could be clearly observed inthe m ulti-scale m o d el，and w hich could reflect the torsion effect of the corbel beam. It was a very necessarym easure to ensure the corbel node security. In the sam e tim e，the actual m onitored results are close to them ulti-scale sim ulation r esu lts，w hich further proves that th e m u lti-s c a le finite elem ent analysis m ethod isaccurate and relia b le，w hich provide a technical support for tiie protection of unloading construction safety.K ey w o rd s m ulti-scale finite elem ent m et!iod，m onitoring，large can tilev er，steel beam〇引言随着有限元技术的迅速普及，工程非线性计算已经得到了迅猛发展。

目前结构计算模型和方法主要有杆系模型和实体模型。

其中，杆系模型难以追踪构件和节点的局部塑性失稳和承载力退化的破坏机制;实体模型的计算量巨大，对计算软硬件条件要求高，目前还难以解决计算规模和存储空间的要求。

基于以上的原因，多尺度模拟和计算是一个正在迅速发展的热点[1]。

多尺度有限元法，即根据结构构件或节点的复杂程度和破收稿日期！2016 -07 -19联系作者，Email:ywluck@qq. com•工程施工•+195 +结构工程师第33卷第5期坏过程中的非线性程度，选择适当尺度的分析模型，并实现不同尺度模型之间的协同计算。

通过选择合适的连接方式，使得宏观尺度模型与微观尺度的协同计算，则可更好把握结构的整体受力特征和微观破坏过程，从而能更好理解、把握结构的性能。

多尺度计算近年来已经在多个领域得到广泛应用[2_6]，它是在精度和计算代价之间的一个均衡解决途径。

本文结合某高层大跨度悬挑钢连廊的施工，利用M I D A S/G E N软件对该钢连廊进行多尺度有限元分析。

1工程概况某大厦主体工程建筑高度主楼为149. 9 <，总建筑面积约为125 290 <2,主要由一幢地上31 层办公楼及2幢5〜7层附属楼组成，3幢楼在地下连通，地下室两层，地上由4座钢连廊连通。

分别连接于主楼与东西楼之间，其中主楼与西楼之间为钢连廊L1、L2、L3,主楼和东楼之间为钢连廊_，钢连廊分布情况如图1所示。

钢连廊L1跨度27 <，宽3. 3 <，连通西楼三层与主楼二层，连廊采用下承式桁架结构，桁架高度375钢连廊L2跨度23.7<，宽4.75<，连通西楼四层与主楼三层，连廊为单层钢梁形式。

钢连廊L3分为上下两层，上层连廊跨度为42.6 <，宽10.2 <，连通西楼屋面层和主楼第五层;下层连廊跨度为42.6<，宽9. 1 <，连通西楼第四层和主楼第三层;钢连廊L4位于主楼和东楼之间，跨度为51 <，宽9 <，连通主楼第五层和东楼第五层。

由于钢连廊L3和L4均采用钢梁形式，且跨度和悬挑均比较大，如图2所示。

为考查胎架卸载后，结构整体及牛腿节点处受力的情况，为确保结构安全，需要对结构卸载后的受力、变形情况进行有限元分析。

本文主要以钢连廊L4为例进行介绍。

(a) L3钢连廊示意图（b) L4钢连廊示意图图2钢连廊L3、L空间示意图Fig. 2 Space sketch map of L3 & L4 steel continuous gallery 2施工方案<1钢梁安装钢连廊施工在东西楼及主楼结构封顶，地下室顶板后浇带（沉降缝）施工完毕并达到强度后进行安装。

钢连廊L4采用350吨履带吊作为主要吊装设备，主钢梁分成3〜5段，如图3所示。

图中L4_6、L4-9和L4-10拼接成内跨主钢梁，!4-2、L4-3、L4-7、L4-8和L4-11拼接成外跨主钢梁，L4_1、L4V和L4-5为悬挑段主钢梁，与主楼柱牛腿焊接。

内跨主钢梁一端（即L4-6位置）也是与主楼柱牛腿焊接，另外一端则与东楼柱采用隔震支座连接。

外跨主钢梁一端（即L4-2位置）与悬挑端（即L4-1 %采用焊接连接，另外一端则与东楼柱也是采用隔震支座连接。

施工之前先在内、外主钢梁分段处搭设胎架，主梁采用高空原位组装的方法[7V]，次梁及其余小型构件单件吊装，采用高空散装的方法。

图3钢连廊L4主梁断开位置(单位:mm) Fig.3 Open position of L4 steel continuous Gallery (Unit：mm)2.2钢梁卸载根据钢连廊分段情况，临时胎架布置在主钢梁分段处，且胎架尽量位于或靠近混凝土梁柱。

钢箱梁5方向上由胎架顶部标高控制，局部精确调节通过在胎架上设置钢楔子调节，钢楔子装置如图4所示。

平面内调整主要由吊装过程初控，并通过千斤顶进行局部调节。

胎架卸载时，根据结构应力分析值，将主梁钢楔子逐一由中间向两边的步骤进行均勻下调。

重Structural Engineers Vol. 33 ,No. 5+196 +Engineering Construction 复由中间向两边进行钢楔子下调原则，逐步将主梁下钢楔子全部卸载悬空，达到支撑卸载目的。

卸载顺序按照“变形大的位置先卸载，变形小的位置后卸载”的原则，卸载从梁中向梁两侧依次卸载。

图4钢楔子装置(单位:mm)Fig. 4 Steel wedge device ( Unit：mm)3数值模拟分析3.1 M I D A S/G E N分析模型由图2和图3可以看出，第⑮轴处牛腿节点(_-5和_-6交接处％受力最为关键，为了更清楚了解该牛腿节点的受力情况，需要对其建立精细的有限元模型。

在M ID A S/G E N中，对牛腿节点处钢板采用板单元模拟，钢管混凝土柱采用实体单元模拟，其余钢梁则采用梁单元模拟，建立的多尺度有限元模型（以下简称为“多尺度模型”）如图5和图6 所示。

在牛腿单元截面与梁单元节点的连接地方则采用添加“刚性连接”方法，以保证连接处的内力和变形协调，如图&所示。

第⑬、⑭轴处牛腿仅作为固定边界条件输人。

分析过程考虑结构自重和施工荷载。

为了对比分析，同样也建立了无精细化牛腿节点的有限元模型（以下简称为“简化模型”），即均采用梁单元模拟，牛腿节点则全部作为固定边界条件输人，如图Y所示。

图5多尺度有限元分析模型（多尺度模型％Fig. 5 Multi-scale finite element analysis model(multi-sc a le FE model)图6牛腿节点模型Fig. 6 Bracket FE model图7刚性连接Fig. 7 Rigid connection图Y无牛腿节点有限元分析模型（简化模型）Fig. 8 FE model without bracket model ( simplified FE model)3.2 M I D A S/G E N模拟结果分析3.2.1整体结果分析当胎架卸载完成后，多尺度模型和简化模型整体变形和应力分析结果如图9 -图12所示。