MeshFree|云端建造工厂节点分析
【摘要】
云端建造工厂首次应用于全装配式结构，主要通过穿墙对拉螺杆依附在建筑主体结构上，为建筑施工提供一个操作平台，并随着楼层的提高，附着在墙体上进行爬升。设计主要以轻量化、智能化、工业化为理念，打造一个施工集成平台。设计过程中，主要参照《广东省建筑结构荷载规范》进行取值，其中风荷载按照10级台风进行计算；在考虑自重、恒荷载、施工活载、风荷载、温度荷载及起重机荷载多种工况组合下，进行弹性计算、整体稳定性分析、抗连续倒塌分析及钢结构连接节点有限元分析，最后考虑三级防坠措施，保证结构的可行性与安全性。
【关键词】
云端建造工厂；弹性分析；稳定性；抗连续倒塌分析；节点；有限元分析
１工程概况
中建映花悦府项目位于广州市花都区大陵村工业大道路南，许广高速以西，井岗大道北街以北，天马河东支流以东。该项目总建筑面积33.4956㎡，占地面积16万㎡；是以高层住宅、多层商业、幼儿园、卫生服务站及社区服务站等配套设施为主功能齐全的城市综合体。项目效果如图１所示
其中D2号栋采用中建四局自主研发的竖缝密拼全装配剪力墙结构体系，主要竖向及水平构件均为预制混凝土结构，装配率达80.52％，结构楼层32层，建筑高度97ｍ 。标准层平面布置如图２所示。
２ 结构设计条件
云端建造工厂主要由桁架结构系统、支撑顶升系统、围护结构系统、智能行车系统４个系统组成。主体桁架结构系统作为主要受力传力结构，是整个造楼机的骨架，承担施工期间所有的外部荷载；支撑顶升系统作为整个造楼机的支撑体系，将来自上部结构的竖向力和水平力传递给剪力墙，同时立柱集成顶升支撑系统，可完成造楼机的顶升和降下；智能桁车系统用于完成预制构件的提升，对位和下放安装，是预制构件安装重要设备；围护结构系统用于提供人员通道、人员操作执行施工工序的平台，同时提供安全防护的功能。云端建造工厂系统如图３所示
2.1 设计信息
云端建造工厂结构设计使用年限为5年，安全等级为二级。该设备钢结构的环境作用等级为一般大气环境、作用等级为Ｂ级，环境条件处于露天环境。
2.2 荷载信息
2.2.1 恒荷载及施工活荷载取值
钢平台荷载参照DBJ15-101-2014 《广东省建筑结构荷载规范》[1]的相关规定取值。在正常使用极限状态设计下，附加恒荷载及活荷载标准值如表１所示。
本工程风荷载及参数取值按DBJ15-101-2014 《广东省建筑结构荷载规范》[1]、JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[2] 确定，如表２所示
2.2.2 起重机荷载
本工程起重机荷载及参数取值按省标DBJ15-101-2014 《广东省建筑结构荷载规范》[1]第６条确定，起重机大车重6t，小车重9t，起重物额定质量为8.5t,考虑1.05的冲击系数， 可得最大起重量为8.5ｘ1.05＝8.925t，取9t起重机纵向荷载采用纵向刹车轮的最大轮压之和的10％取值， 横向荷载按照软钩起重机12％取值，计算结果为2.16t， 本文按照最保守考虑取值2.55t，如表3所致。
2.2.3 温度荷载
均匀温度作用的标准值按省标DBJ15-101-2014 《广东省建筑结构荷载规范》[1]第8.3.1条计算。参考广州最高（36°）和最低（６°）月平均基本气温[3]，钢结构最高和最低平均温度分别取36，６℃，由于钢结构为温度敏感结构，考虑极端气候影响，最高和最低平均温度分别取40，2℃。结合广州的气候条件，钢结构合垅温度取13~29℃。
由于造楼机不使用时为无空调状态， 且与室外环境直接接触， 因此室内结构的最高和最低平均温度近似于室外温度分别取36，6℃。于是，均匀温度作用下钢结构升温为
=40-13=27℃；降温为
=2-29=-27℃；
3 结构体系设计
3.1 钢平台系统设计
造楼机钢平台平面轮廓为规则的双排矩形设计，北侧矩形长约45ｍ，宽约14ｍ；南侧矩形长约31ｍ，宽约12ｍ；因为桥式起重机吊装的需要，其中北侧矩形东边悬挑8ｍ，南侧矩形西边悬挑8ｍ。从建筑造型和结构受力的需要考虑， 钢平台采用桁架结构形式，桁架高度为5m，整个桁架平台布置10个立柱进行支撑，桁架结构与立柱采用弹性连接刚接进行分析。造楼机结构如图5所示
悬挑如图６所示
具体截面尺寸如表４所示。
南北侧悬挑端的部位主要用于预制构件的吊装，悬挑设计考虑起重机的纵横方向的位移限制，避免位移限制对于预制构件的起吊和安装造成影响。
3.2 支撑系统设计
10个立柱的布置主要根据受力特点及结构形式进行布置，立柱的标准节之间采用螺栓连接，每根立柱设置３个附着点。立柱高度约为11ｍ，覆盖3个楼层及施工层， 由于3号立柱附着点布置在窗洞口位置， 将立柱附着点下移1.8m，保证附着稳定。立柱平面布置如图７所示
立柱立面布置如图８所示
立柱结构如图9所示
支撑系统如表5所示
3.3挂架系统设计
挂架为定型钢骨脚手板、主立杆、架体构架立杆、架体构架斜杆、水平支撑桁架主框架兜底横杆、架体构架兜底横杆及钢板网等组成的架体系统。主要为提供工人行走的通道及安全的操作平台。挂架结构如图10所示
挂架主要设计参数如表６所示
４ 弹性计算结果及分析
4.1结构动力特性
在midas Gen和Sap2000中分别计算了结构的前12阶动力特性列于下表，可以看出两个软件的计算结果比较接近， 同时下图分别给出了两个软件计算的结构前3阶振动模态变形云图。midas Gen和Sap2000前3阶自振模态如图11~16所示，结构动力特性如表７所示
4.2 变形计算结果
4.2.1风荷载作用下的结构位移
根据GB50017-2017《钢结构设计标准》[4]，风荷载作用下柱顶位移限值为L/400，本设计最上部附墙座至桁架顶部距离为13500ｍｍ，桁架顶部限值33.75ｍｍ。根据前述统计结果，在五种风荷载作用下其最大位移值为33.68ｍｍ，满足规范要求。风荷载作用下的结构整体 位移如图17所示
4.2.2重力荷载作用下的结构位移
根据GB50017-2017《钢结构设计标准》[4]，非抗震组合时受弯为主的桁架结构， 跨中区域容许挠度值L/300(楼盖)，悬挑结构容许挠度值L/500(楼盖)。经核查， 最大挠度37.29ｍｍ 出现在悬挑位置， 悬挑距离为7940ｍｍ，悬挑容许挠度值为52.93ｍｍ，满足要求。其余跨中位置与悬挑位置均满足规范要求。正常使用状态下结构竖向位移如图18所示。
4.2.3受弯构件（ 起重机梁） 的结构位移
根据GB50017-2017《钢结构设计标准》[4]， 楼（屋）盖梁或桁架、工作平台梁和平台板限值如下：主梁或桁架（ 包括设有悬挂起重设备的梁和桁架),永久和可变荷载标准值产生的挠度（如有起拱应减去拱度）的容许值为L/400，可变荷载标准值产生的挠度的容许值为L/500， 其中L为受弯构件的跨度（ 对悬臂梁和伸臂梁为悬臂长度的２倍）。经核查，永久和可变荷载标准值产生的挠度最大值28.19ｍｍ 出现在悬挑位置， 悬挑距离为7940ｍｍ，悬挑容许挠度值为39.7ｍｍ，满足要求；可变荷载标准值产生的挠度最大值17.6ｍｍ出现在悬挑位置，悬挑距离为5300ｍｍ，悬挑容许挠度值为21.2ｍｍ，满足要求。其余跨中位置与悬挑位置均满足规范要求。永久和可变荷载标准值下结构挠度如图19所示
可变荷载标准值下结构挠度如图20所示
4.3 杆件应力计算结果
考虑自重荷载、恒荷载、活载、风荷载、起重机及制动荷载、温度荷载、强制位移等全部工况相关因素， 承载能力极限状态下最大应力比为0.96（个别构件位置）承载能力极限状态下梁单元应力如图21所示
承载能力极限状态下梁单元应力比如图22所示
５ 专项分析
5.1钢结构整体稳定分析
本造楼机主体钢结构存在单榀桁架，且跨度较大，也是主要受力桁架之一，空间布置和杆件受力较为复杂， 因此有必要对其进行整体稳定分析[5]。由于图示主桁架上弦为桁车轨道，当两台桁车运行到跨中位置，且发生同向侧向制动力时，对于桁架面外受力最不利，也是最容易出现失稳的工况，分别采用特征值屈曲和非线性屈曲分析算法分析了主体钢结构的整体稳定性能。x 向风荷载作用方向如图23所示。
5.1.1特征值屈曲分析
采用midas Gen进行特征值分析，计算得到荷载组合工况下的一阶整体屈曲特征值为15.5，大于JTJ 7-2010《空间网格结构技术规程》[6] 屈曲因子不小于4.2的要求，相应的屈曲模态如图24所示。
5.1.2 非线性屈曲分析
以荷载组合工况作用下的一阶模态变形为基础，对结构修改几何尺寸使其具有1/300的初始缺陷，同时考虑几何非线性进行非线性屈曲分析，以位移监控的静态推覆方式进行加载并实时记录结构在此过程中的响应， 采用弧长法作为迭代算法，目标值为30倍荷载作用（即30ｘ（恒荷载+活载+桁车（2台均处于跨中，且发生同向制动力）+x方向风荷载)）, 其中监控节点为结构一阶特征值屈曲模态中位移最大的节点，得到了荷载因子与节点位移的曲线如下图所示，可以看到，在荷载因子接近1.0ｘ30时，曲线逐渐水平，随后数值迭代呈发散趋势， 结构位移迅速增大，可判断结构此时已进入失稳状态，失稳时刻对应的荷载因子接近30，也远大于规范要求限值， 该时刻结构的屈曲形态如图25所示，荷载系数监控节点位移曲线如图26所示。
综上可知，造楼机主体钢结构具备良好的整体稳定性能，不易发生失稳。
5.2 结构抗连续倒塌分析
根据CECS 392:2014《建筑结构抗倒塌设计规范》[7] ，为进一步考察结构适应各种极端条件下的安全储备，对结构进行了某个立柱突然失效情况的模拟以评价结构的抗连续倒塌性能。结构连续倒塌过程中会形成强非线性计算问题，包括材料非线性和几何非线性，为模拟材料进入塑性后的力学行为，在杆件两端定义分布纤维铰以模拟可能在杆件端部形成的塑性铰，纤维的材料本构和典型截面纤维划分分别如图27，28所示
大跨度钢结构关键构件在破坏前主要受恒荷载、活荷载、温度荷载和风荷载，根据《工程结构可靠性设计统一标准》GB 5013-2008[8]中对偶然组合的规定，连续性倒塌分析等效荷载取值为Ｐ=DEAD+0.5LIVE+0.4T+0.2WIND。
模拟构件失效的时程函数曲线如图29所示,其中
=1，
=0.05
根据结构受力传力特点以及正常使用荷载组合下的反力分布情况，选取支反力最大的10号立柱分别作为考虑失效的抗连续倒塌分析工况。
由计算结果可知，结构总应变能最大时刻，仅有中间一榀桁架上弦杆件局部位置最大应力350MPa，略微超过超过材料屈服强度，出现塑性铰，塑性区域仅出现在局部位置并未扩散，最终稳定时刻的最大应力均未超过屈服强度，结构最终稳定收敛在新的平衡位置。失效后的结构应力如图30所示
5.3 典型节点分析
桁架典型连接节点为1根方钢管柱和3根水平钢梁、3根斜撑连接节点,通过提取MIDAS整体模型中钢桁架节点梁端的静力荷载，对节点进行静力弹塑性分析。采用通用有限元软件MIDAS MeshFree建立三维有限元实体模型进行计算分析。节点位置如图31所示。
5.3.1有限元计算模型
方管柱尺寸为300ｘ200ｘ9.75ｍｍ，水平钢梁为箱型截面， 尺寸为200ｘ7.75，500ｘ300ｘ9.5ｍｍ，水平斜撑160ｘ7.75，140ｘ4.75ｍｍ，材料均为Q355。节点结算模型如图32所示。
5.3.2荷载和边界
模型加载：由于构件应力主要由风荷载作用下1.3施工恒荷载＋1.05施工活载＋1.3自重＋1.3强制位移＋1.5风荷载＋1.05桁车控制。因此提取midas Gen 模型中各杆件在风荷载控制下，最不利组合工况下的内力值，施加到梁端和柱顶。
底部约束情况：支座底部采用固接形式，约束条件如图33所示。
由节点区域钢材应力分布云图可知，节点构件最大应力为竖向斜撑与立柱竖管的交界位置，最大应力为322MPa,小于钢材的屈服强度355MPa。计算结果如图34所示
6 防坠保护措施
支撑系统的受力的防坠机构保护措施主要有两部分，一部分是立柱，一部分是轨道。两者均是通过机构与附墙导座连接形成防坠机构。支撑系统如图35所示。
在造楼机工作的时候，立柱的受力是传递给最下面附墙导座，最下面的附墙导座所连接的混凝土龄期基本可以达到90%以上
共设计了 3 道附墙导座，造楼机是受力点在最下面的一道附墙导座上，假设最下面的附墙导座失灵，立柱便会紧固在上部两道附墙导座上。
轨道的作用主要是为立柱提供爬升受力点，轨道自身通过油缸系统进行自爬升。轨道爬升完成之后，通过在轨道面上焊接的凸条卡在导座上面的横杠上，横杠与轨道凸条的连接，可以防止轨道下坠。
７ 结语
综上所述，本结构属于临时性施工建造装备，分析结构受力传力机制， 应用多种传力路径优化算法， 有意对结构的刚度分配进行调节，使得每一个支撑立柱都具备基本相当的受力水平，且最大程度降低了施工误差对结构受力的影响。同时，在结构计算和设计过程中严格控制了关键构件的应力比限值，且对结构的整体稳定性、抗连续倒塌性能、重要连接节点力学性能等内容进行了较为详细的专项分析。计算结果表明，各项指标均表现良好，满足规范的有关要求。因此，可以认为本结构是可行且安全的。
参考文献：
[1]广东省建筑结构荷载规范:DBJ15—101—2014[S]．北京:中国建筑工业出版社,2014.
[2]高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010[S]．北京：中国建筑工业出版社,2010.
[3]侯胜利，李世龙，张国晟，等，广州南沙某综合体项目无缝结构设计[J].建筑结构，2023,53(23)：24-29,23.
[4]钢结构设计标准：GB50017—2017[S]．北京：中国建筑工业出版社,2017.
[5]范重，杨开，刘涛，等，厦门白鹭体育场巨拱支承大跨度屋盖结构设计研究[J].建筑结构学报,2023,44(9):27-39.
[6]空间网格结构技术规程：JGJ7—2010[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.
[7]建筑结构抗倒塌设计规范：CECS392;2014[S]. 北京:中国计划出版社,2014.
[8]工程结构可靠性设计统一标准:CB50153——2008[S]．北京：中国建筑工业出版社,2008.
作者：
出自：
2024年全国土木工程施工技术交流会
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