某机场航站楼屋盖施工模拟分析研究
陶兵进
（上海通正铝结构建设科技有限公司 上海 201111）
工程案例表明，很多工程事故都是发生在施工过程中。所以，进行施工过程的模拟分析，了解结构在施工过程中的应力和位移情况非常有必要［1-3］。传统的钢结构安装主要包括高空散装法，分块吊装和整体提升［4-5］。某机场航站楼屋盖采用二场地拼装、驳船海运、大模块整体提升、滑移、卸载的施工方法。整个施工过程复杂，进行全过程的施工过程分析具有更加重要的意义。本文以某机场航站楼屋盖为背景，采用标准100 m×36 m模块，对屋盖钢结构进行施工阶段有限元模拟，按施工加载顺序及施工实际情况进行力学分析，保证施工全过程的安全性，验证施工方案的可行性。
某机场航站楼布置如图1所示，平面呈Y形，总长799 m，宽700 m。主大厅区域长434 m，宽98 m。航站楼南/北翼区域长354 m，宽58 m。整个航站楼共有地上5 层，地下3 层；
航站楼建筑顶标高+47.80 m，地面层标高+7.80 m，建筑底标高-2.15 m。
图1 某航站楼布置Fig.1 Layout of the Terminal Building
其中主大厅为本研究的主要研究对象。主大厅屋面钢结构由一系列主次桁架组成，主桁架支撑于混凝土柱或树状钢柱上，标准跨度36 m，桁架高度3.5 m；
次桁架支撑于主桁架上，标准跨度27 m/36 m，桁架高度3.5 m，如图2 所示。主桁架弦杆主要为UKC305×305×137，腹杆主要为UKC254×254×73；
次桁架弦杆主要为UKC254×254×107，腹杆主要为UKC203×203×46。材质采用是S355，总用钢量约36 000 t。主大厅主要典型节点如图3所示。
图2 主大厅结构示意图Fig.2 Layout of the Main Concourse
图3 主大厅典型节点示意图Fig.3 Typical Node Diagram of Main Hall
本工程施工采用标准100 m×36 m 模块，整体转运、滑移、提升施工方法。为考虑施工顺序对结构的影响，本文对该工程屋盖钢结构进行施工阶段有限元模拟，按施工加载顺序及施工实际情况进行力学分析，保证施工全过程的安全性，验证施工方案的可行性。
结构分析设计时，采用的是一次成型，施加全部荷载，进行整体分析。但是，真实的加载过程和受力状态并非如此［6-8］。施工模拟本质上是一种分阶段变刚度分析方法。施工状态中的每一个实际，分别对阶段结构状态施加阶段荷载或移去荷载；
不同施工阶段状态叠加，即后一阶段的起始状态是前一阶段结束状态，结构变形、内力分别在各阶段中与前一阶段中锁定内力、锁定变形相叠加，从而实现实际结构施工的过程模拟［6-8］。
施工模拟是一种非线性分析。其非线性体现在结构刚度矩阵在过程中发生变化。本项目使用SAP2000 软件，充分考虑施工步骤，按实际施工过程分层加载，实现施工模拟分析。
3.1 分析模型
主大厅的SAP2000模型如图4所示。
图4 主大厅有限元模型Fig.4 Finite Element Model of Main Concourse
3.2 主要施工荷载
施工模拟分析时施加的荷载包括：
⑴恒载：构件自重，天窗重量，屋面层重量，吊顶重量，机电支架重量，马道重量；
⑵温度荷载：按升温取+30 ℃，降温取-30 ℃［9］；
⑶风荷载：风荷载取10年一遇基本风压，在东莞二场地拼装按《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》［9］取值，在香港提升滑移按香港本地荷载规范取值；
模块在转运、提升、滑移过程中，屋面可不考虑施工活荷载。
3.3 加载及分析步骤
主大厅的施工过程简述如下：二场地模块拼装→模块脱胎转运→驳船海运→模块下船→模块香港场内运输→模块提升→模块滑移→模块卸载→模块补缺。
主大厅的模块划分如图5所示。标准模块为100 m×36 m。模块间的拼装相互独立；
为保证各专业间连接的便利性和连接精度，每一个模块拼装时的位形均为设计位形，即为倾斜状态拼装；
为保证操作空间，相邻模块最近点间距1 m。
图5 主大厅模块划分Fig.5 Module Division of Main Concourse （mm）
细化后用于SAP2000 施工模拟分析步骤，如表1所示，共24 步。整体取模块C1、C2、C3 进行分析，其余按此顺序循环。另外，细分模块C2 的每一步加载，即阶段（7～18）。
表1 施工模拟步骤Tab.1 Construction Simulation Steps
下面对几个关键点的计算结果进行分析。
4.1 二场地拼装支撑点位转换研究
从二场地拼装，到SPMT 车运到驳船，驳船转运，SPMT 车运送下船，SPMT 车运送到堆放场地，这一系列过程，都涉及到支撑点位的转换。为了尽可能减轻对模块的影响，需要尽可能重复利用支撑点位。为此，支撑点位布置应尽可能减少对原结构影响，如图6所示。
图6 主大厅二场地支撑点位Fig.6 Off-site Support Location of Main Concourse
以模块C2 为例，分析在二场地拼装、运输过程中，即阶段（7～15），典型阶段的构件的应力情况，如图7 所示。分析表明：在阶段（7～13），即钢结构自重情况下，构件最大应力为200 MPa；
在阶段14，即加上天窗重量、屋面层重量、吊顶重量、机电支架重量及马道重量情况下，支撑点附近部分杆件达450 MPa，部分超应力［10］，需进行构件加固或替换；
在阶段15，即支撑点位改为SPMT 车支撑点位，同样部分构件超应力，需进行构件加固或替换。
图7 模块C2 施工过程构件应力Fig.7 Stress of Module C2 during Construction Stage
4.2 施工过程中位移变化
结构位移的变化是结构施工过程中需要监控的重要指标。需要分析，计算结构过程中位移，为现场施工提供数据支撑。本文选取模块C2 主桁架跨中位置作为位移控制点，位置如图8所示。
图8 模块C2控制点位置Fig.8 Control Point in Module C2
控制点Z向位移如图9所示。可以看出阶段（1～6）模块C2还没开始施工，所以位移为0。从阶段（7～13），模块C2 主桁架跨中Z向位移逐渐变大，因为模块C2构件开始逐步施工，在钢结构自重下，位移缓慢变大。在阶段14 时，施加模块C2 天窗重量、屋面层重量、吊顶重量、机电支架重量及马道重量，Z向位移急速增大到63 mm；
在阶段15，SPMT车点位变化，Z向位移减小到51 mm。阶段（16～23）处于滑移阶段，主桁架位于滑轨上，故竖向位移很小。最后阶段24，卸载后，最终Z向位移为27 mm。
图9 模块C2主桁架跨中Z向位移（正值表示向下）Fig.9 Displacement in Middle of Module C2 Main Truss（Positive Represents Down）
4.3 施工过程结构应力变化
结构应力的研究同样使用上述位移控制点。应力结果如图10 所示。在阶段（1～6），C2 模块尚未施工，故应力为0。在阶段（7～13），C2 模块一片一片施工，使得控制点的应力缓慢增大。在阶段14，施加模块C2 天窗、屋面层、吊顶等重量，应力急剧增大到203 MPa。在阶段15，支撑点间距缩小，导致应力缩小到175 MPa。在阶段（16～23），处于滑移阶段，主桁架位于滑轨上，构件应力在50 MPa 左右。在阶段24，卸载后，最终构件应力在160 MPa左右。
图10 模块C2主桁架跨中应力Fig.10 Stress in the Middle of Module C2 Main Truss
⑴本文应用SAP2000 有限元软件，对某机场航站楼施工过程进行了24 个阶段的全过程施工模拟分析，说明施工方法的可行性，为施工控制提供了重要依据。
⑵拼装支撑点转换研究中发现，部分支座附近杆件超应力，需要加固或替换处理。
⑶施工过程位移和应力分析表明：分步施工模拟的结果与实际的施工情况相吻合。施工过程中存在位移和应力较大的状态，并且大于最终成形状态。说明施工模拟分析的必要性。
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