盐城电视塔观光层悬挑结构 施工过程模拟分析研究.docx
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盐城电视塔观光层悬挑结构施工过程模拟分析研究
盐城电视塔——观光层悬挑结构
施工过程模拟分析研究
徐鹤松张军
江苏中南建筑产业集团有限责任公司
[摘要]盐城电视塔在标高114.45m高空四个方向设置悬挑13.40m观光层,观光层通过空中环行走道连接。
结构施工中利用标高114.45m钢结构+空中环行走道+预应力临时拉索形成的结构体系作为上部结构施工操作平台;通过有限元数值分析,提出施工过程控制的主要参数及其控制准则,根据力学模型对施工过程进行模拟计算,评价施工过程中结构的受力性态以及安全性。
[关键词]悬挑结构施工分析
1工程概况
1.1建筑概况
盐城电视塔主塔地下2层,地上总高度195m;其中标高114.45m为观光厅,标高145m上部为天线。
主塔平面呈八角形,八角形边长为3438mm,主塔标准层平面见图1.1。
图1.1主塔标准层平面图
1.2结构概况
主塔采用双钢板组合剪力墙结构(简称“SPSW”),主塔筒壁厚度为300mm,筒壁内外侧钢板通过栓钉、连接钢筋及加劲板与筒壁内后浇筑混凝土形成整体结构,钢板材质为Q345B,结构抗震设防烈度为七度,结构设计使用年限为50年。
主塔标高114.45m处四个方向观光厅结构自主塔筒壁外侧伸出长度为13400mm,上部各通过2根Φ100不锈钢拉杆与主塔筒壁斜拉连接,四个方向观光厅通过空中环行走道相连接。
观光厅结构立面及结构轴测图见图1.2-1~图1.2-2。
图1.2-1观光厅结构立面图图1.2-2观光厅结构轴测图
2观光层结构施工工艺流程
观光层结构施工遵循“分单元拼装、分单元对称吊装,设置临时辅助拉索”的原则进行施工。
观光层结构施工总体思路为:
利用外施工平台安装标高107.167m斜支撑结构,利用标高114.45m钢结构+空中环形走道+预应力临时拉索形成的结构体系作为上部结构施工操作平台,确保施工阶段安全。
观光层结构的施工工艺流程如图2所示。
图2观光层结构施工工艺流程图
3研究计算软件
采用大型通用有限元软件ANSYS13.0分析计算。
4观光层结构施工阶段分析
依据观光层结构施工安装顺序,仍选取四种施工状态分别建立模型进行计算分析,观光层结构的施工分析状态如表4所示。
表4观光层结构施工状态
施工状态编号
施工状态
1
观光层下层钢结构+临时拉索安装完毕
2
观光层结构走道钢结构安装完毕
3
整个观光层结构安装完毕+临时拉索未拆除+结构拉索未安装
4
整个观光层结构安装完毕+临时拉索拆除+结构拉索安装完毕
4.1观光层第一施工状态
为保证长悬挑观光层结构的施工安全,并减少长悬挑结构的变形导致的施工误差,设置临时拉索,通过控制临时拉索的预拉力来控制悬挑端的变形,通过不断试算,最终将临时拉索的预拉力确定为50kN。
(1)内力分布
当观光层结构施工到第一施工状态时,观光层结构整体应力分布、混凝土主应力分布、主塔筒体钢板Mises应力和钢梁Mises应力如图4.1-1~图4.1-4。
图4.1-1观光层第一施工状态主体结构应力分布图图4.1-2观光层第一施工状态混凝土应力分布图
图4.1-3观光层第一施工状态钢板应力分布图图4.1-4观光层第一施工状态钢梁应力分布图
由应力计算结果可看出,观光层第一施工阶段完成时,混凝土结构的最大主应力为8.74MPa,主塔筒体钢板剪力墙钢板的最大应力为36.80MPa,最大应力位于钢板剪力墙根部;观光层钢梁最大应力为44.20MPa。
数据结果表明:
混凝土主应力较小,此时混凝土未开裂;钢板Mises应力和钢梁Mises应力均较小,此时钢板和钢梁均未屈服,结构满足安全要求。
(2)变形特征
当观光层结构施工到第一施工状态时,观光层结构整体总变形、X向变形、Y向变形和Z向变形和钢梁整体变形如图4.1-5~图4.1-9所示。
图4.1-5观光层第一施工状态主体结构总变形图图4.1-6观光层第一施工状态主体结构X向变形图
图4.1-7观光层第一施工状态主体结构Y向变形图图4.1-8观光层第一施工状态主体结构Z向变形图
图4.1-9观光层第一施工状态钢梁整体变形图
由变形计算结果可看出,观光层第一施工阶段完成时,结构整体变形最大值为54.727mm,水平变形最大值为54.204mm,竖向变形最大值为23.633mm;观光层钢梁最大变形值为54.312mm。
数据结果表明,结构变形量较小,满足后续结构安装要求。
4.2观光层第二施工状态
(1)内力分布
当观光层结构施工到第二施工状态时,观光层结构整体应力分布、混凝土主应力分布、主塔筒体钢板Mises应力和钢梁Mises应力如图4.2-1~图4.2-4。
图4.2-1观光层第二施工状态主体结构应力分布图图4.2-2观光层第二施工状态混凝土应力分布图
图4.2-3观光层第二施工状态钢板应力分布图图4.2-4观光层第二施工状态钢梁应力分布图
由应力计算结果可看出,观光层第二施工阶段完成时,混凝土结构的最大主应力为8.75MPa,主塔筒体钢板剪力墙钢板的最大应力为36.90MPa,最大应力位于钢板剪力墙根部;观光层钢梁最大应力为57.30MPa。
数据结果表明:
混凝土主应力较小,此时混凝土未开裂;钢板Mises应力和钢梁Mises应力均较小,此时钢板和钢梁均未屈服,结构满足安全要求。
(2)变形特征
当观光层结构施工到第二施工状态时,观光层结构整体总变形、X向变形、Y向变形和Z向变形和钢梁整体变形如图4.2-5~图4.2-9所示。
图4.2-5观光层第二施工状态主体结构总变形图图4.2-6观光层第二施工状态主体结构X向变形图
图4.2-7观光层第二施工状态主体结构Y向变形图图4.2-8观光层第二施工状态主体结构Z向变形图
图4.2-9观光层第二施工状态钢梁整体变形图
由变形计算结果可看出,观光层第二施工阶段完成时,结构整体变形最大值为54.739mm,水平变形最大值为54.211mm,竖向变形最大值为24.760mm;观光层钢梁最大变形值为54.334mm。
数据结果表明,结构变形量较小,满足后续结构安装要求。
4.3观光层第三施工状态
(1)内力分布
当观光层结构施工到第三施工状态时,观光层结构整体应力分布、混凝土主应力分布、主塔筒体钢板Mises应力和钢梁Mises应力如图4.3-1~图4.3-4。
图4.3-1观光层第三施工状态主体结构应力分布图图4.3-2观光层第三施工状态混凝土应力分布图
图4.3-3观光层第三施工状态钢板应力分布图图4.3-4观光层第三施工状态钢梁应力分布图
由应力计算结果可看出,观光层第三施工阶段完成时,混凝土结构的最大主应力为8.78MPa,主塔筒体钢板剪力墙钢板的最大应力为37.50MPa,最大应力位于钢板剪力墙根部;观光层钢梁最大应力为78.60MPa。
数据结果表明:
混凝土主应力较小,此时混凝土未开裂;钢板Mises应力和钢梁Mises应力均较小,此时钢板和钢梁均未屈服,结构满足安全要求。
(2)变形特征
当观光层结构施工到第三施工状态时,观光层结构整体总变形、X向变形、Y向变形和Z向变形和钢梁整体变形如图4.3-5~图4.3-9所示。
图4.3-5观光层第三施工状态主体结构总变形图图4.3-6观光层第三施工状态主体结构X向变形图
图4.3-7观光层第三施工状态主体结构Y向变形图图4.3-8观光层第三施工状态主体结构Z向变形图
图4.3-9观光层第三施工状态钢梁整体变形图
由变形计算结果可看出,观光层第三施工阶段完成时,结构整体变形最大值为65.194mm,水平变形最大值为56.691mm,竖向变形最大值为43.242mm;观光层钢梁最大变形值为65.194mm。
数据结果表明,结构变形量较小,满足后续结构安装要求。
4.4观光层第四施工状态
(1)内力分布
当观光层结构施工到第四施工状态时,观光层结构整体应力分布、混凝土主应力分布、主塔筒体钢板Mises应力和钢梁Mises应力如图4.1-4~图4.1-4。
图4.4-1观光层第四施工状态主体结构应力分布图图4.4-2观光层第四施工状态混凝土应力分布图
图4.4-3观光层第四施工状态钢板应力分布图图4.4-4观光层第四施工状态钢梁应力分布图
由应力计算结果可看出,观光层第四施工阶段完成时,混凝土结构的最大主应力为8.78MPa,主塔筒体钢板剪力墙钢板的最大应力为37.50MPa,最大应力位于钢板剪力墙根部;观光层钢梁最大应力为47.90MPa。
数据结果表明:
混凝土主应力较小,此时混凝土未开裂;钢板Mises应力和钢梁Mises应力均较小,此时钢板和钢梁均未屈服,结构满足安全要求。
(2)变形特征
当观光层结构施工到第四施工状态时,观光层结构整体总变形、X向变形、Y向变形和Z向变形和钢梁整体变形如图4.4-5~图4.4-9所示。
图4.4-5观光层第四施工状态主体结构总变形图图4.4-6观光层第四施工状态主体结构X向变形图
图4.4-7观光层第四施工状态主体结构Y向变形图图4.4-8观光层第四施工状态主体结构Z向变形图
图4.4-9观光层第四施工状态钢梁整体变形图
由变形计算结果可看出,观光层第四施工阶段完成时,结构整体变形最大值为61.562mm,水平变形最大值为56.687mm,竖向变形最大值为37.907mm;观光层钢梁最大变形值为61.562mm。
数据结果表明,结构变形量较小,满足后续结构安装要求。
5施工验算结果
(1)观光层施工期间内力
观光层施工期间钢板剪力墙混凝土主应力值较小,基本保持8.7MPa左右。
观光层施工期间主塔筒体钢板剪力墙钢板Mises应力值不大,基本保持37.0MPa左右。
观光层施工期间,钢梁Mises应力变化幅度不大,最小值为44.20MPa,最大值为78.60MPa。
其中,从施工步1到施工步3(即观光层钢结构安装完毕,临时拉索未拆除,结构拉索未安装)钢梁Mises应力增加至最大值78.60MPa。
当临时拉索拆除,结构拉索安装完毕后,钢梁应力减小至47.90MPa,可见结构拉索能够有效减小钢梁应力。
(2)观光层施工期间变形
观光层施工期间主塔筒体结构整体变形幅度较小,最小变形值为54.727mm,最大值为65.194mm。
其中,从施工步1到施工步3(即观光层钢结构安装完毕,临时拉索未拆除,结构拉索未安装)主塔筒体结构整体变形增加至最大值65.194mm。
当临时拉索拆除,结构拉索安装完毕后,主塔筒体结构整体变形减小至61.562mm,可见结构拉索能够有效减小主塔筒体结构整体变形。
观光层施工期间主塔筒体结构水平变形幅度较小,最小变形值为54.204mm,最大值为56.691mm。
其中,从施工步1到施工步3(即观光层钢结构安装完毕,临时拉索未拆除,结构拉索未安装)主塔筒体结构水平变形增加至最大值56.691mm。
当临时拉索拆除,结构拉索安装完毕后,主塔筒体结构水平变形为56.687mm,可见结构拉索对控制主塔筒体结构水平变形基本无作用。
观光层施工期间,主塔筒体结构竖向变形幅度不大,最小变形值为23.633mm,最大值为43.242mm。
其中,从施工步1到施工步3(即观光层钢结构安装完毕,临时拉索未拆除,结构拉索未安装)主塔筒体结构竖向变形增加至最大值43.242mm。
当临时拉索拆除,结构拉索安装完毕后,主塔筒体结构竖向变形减小为37.907mm,可见结构拉索对控制主塔筒体结构竖向变形能起到一定作用。
观光层施工期间,钢梁变形幅度较小,最小变形值为54.194mm,最大值为65.194mm。
其中,从施工步1到施工步3(即观光层钢结构安装完毕,临时拉索未拆除,结构拉索未安装)钢梁变形增加至最大值65.194mm。
当临时拉索拆除,结构拉索安装完毕后,钢梁变形减小为61.562mm,可见结构拉索对控制钢梁变形能起到一定作用。
6结论
观光层施工期间钢板剪力墙混凝土主应力值、剪力墙钢板应力、观光层钢梁应力均在弹性范围内;观光层结构拉索能够有效减小钢梁应力。
观光层施工期间整体变形幅度较小,拉索能够有效减小主塔筒体结构整体变形;结构水平变形幅度较小,结构拉索对控制主塔筒体结构水平变形基本无作用;主塔筒体结构竖向变形幅度不大;钢梁变形幅度较小,结构拉索对控制钢梁变形能起到一定作用。
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