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摘要：以钢结构为依托的各种新颖造型、复杂结构层出不穷，各类建筑风格独树一帜，施工中结构受力复杂，伴随着预应力钢拉杆的介入，刚柔混合预应力钢结构和柔性预应力钢结构已成为现代建筑结构的重要结构体系。部分复杂预应力钢拉杆结构形式为行业内首次施工，施工中结构受力稳定性难以保证，无经验及规范可供借鉴，通过有限元模拟与试验引路技术的结合，解决了施工中复杂受力问题，保证了钢结构整体施工质量与安全，从而达到施工过程可控，质量到位。
关键词：有限元模拟；试验引路；预应力钢拉杆；悬挂式螺旋形
在钢结构设计中，由于人们对建筑造型的个性、辨识度要求日益提高，新颖造型、复杂结构层出不穷，从而形成设计卓越，施工困难的局势，结构复杂，施工中无法通过施工经验进行结构受力分析，钢拉杆材料制作技术的提高以及预应力钢拉杆张拉施工技术日益成熟，预应力钢结构在国内外大型工程项目中得到广泛应用，有限元模拟与试验引路可操作性强，成本低，对于复杂结构出具施工方案有较大指导意义，本工程采用有限元软件施工全过程模拟，并经现场试验施工验证，顺利完成预应力钢结构体系的施工任务。
1工程概况
国内某项目为预应力钢拉杆悬挂螺旋钢结构坡道钢结构体系，体系主要包含：直径为44.8m、安装倾斜角度为8.5°、高度为3m的圆形倾斜管桁架、宽3m、总长度约280m、重约205t室外螺旋形钢结构坡道、64根直径为40mm、屈服荷载不小于816KN的预应力钢拉杆，钢结构体系总重计约679.43t，材质均为Q345B。屋面标高31.1米，项目地面以上观景螺旋钢结构坡道采用预应力拉杆悬挂结构。该悬挂拉杆结构不同于一般拉杆结构，除两端张拉固定外，拉杆中间还需要支撑坡道钢梁，体系内钢拉杆不但需要承受坡道竖向集中荷载，拉杆体系还需要承受坡道横向荷载，并需要一定的刚度以满足水平变形要求。此外，钢拉杆上端为悬挑钢屋盖结构，下端为混凝土结构，边界支承结构的刚度有限，屋盖与钢拉杆之间受力相互影响，需要对悬挂坡道的竖向支撑构件-钢拉杆进行细致的受力研究。
经查询，因为该结构体系为国内首次应用，无规范及施工先例可借鉴，屋面管桁架倾斜放置，螺旋形钢结构坡道坡度存在不均匀变化，预应力钢拉杆张拉过程整个结构存在弹性形变，同步张拉困难，钢拉杆与钢结构坡道连接节点难处理，结构复杂，施工难度较大，项目提出有限元模拟+试验引路技术指导施工。
2技术实施部署
2.1工艺简介
本工程施工阶段采用Midas civil有限元分析软件，对施工全过程进行受力、变形模拟分析，其中钢结构采用梁单元，钢拉杆采用桁架单元.，全模型节点共计2414，单元共计5307个。预应力钢拉杆施工采用“对称分组分级”方式模拟现场施工。根据软件分析进行现场试验施工，对试验模型布置应力监测点，通过试验施工应力检测与模拟数据对比指导实际施工方案。
2.2工艺原理
在实体施工前采用有限元分析软件对整个结构体系进行模拟施工分析，并将实体施工过程中的监测数据与模拟数据进行对比，确保施工过程与原设计思路一致。使用有限元软件按照施工设想施工阶段划分，模拟安装屋盖管桁架、千斤顶对称模拟张拉安装钢拉杆，直到接近设计预紧力（顶240kN，底200 kN），这样做的目的是使钢拉杆在安装螺旋钢结构坡道之前，使钢拉杆完成变形，保证转梯安装平顺，螺旋钢结构坡道模拟安装，软件调索使钢拉杆内力逼近设计值。
根据软件输出数据，通过现场试验施工，特别是预应力钢拉杆张拉模拟，能够直观的、更贴切现场施工，对出具施工方案具有指导意义。
2.3具体流程
确定模拟计算环境→设定模拟边界条件、模型荷载分析→屋面管桁架受力分析→分步、分级对称张拉模拟→每步张拉施工结构体系受力、形变分析→钢结构螺旋坡道施工模拟→模拟完成受力分析→试验施工施工检测点布置→试验安装→分级对称张拉→钢拉杆及屋面管桁架受力分析。
2.4工艺说明
2.4.1屋面管桁架模拟安装
利用Midas在建立完整的屋面管桁架模型，分析屋面管桁架安装完成后最大形变值与受力情况。在自重条件下管桁架最大变形在4mm。最大等效应力43MPa。
2.4.2预应力钢拉杆模拟张拉施工
为更好分析钢拉杆在张拉过程中整个结构整体受力变化，每4根钢拉杆为一组由外侧钢拉杆至内侧依次进行模拟对称张拉，张拉过程中张拉制力为280KN，分16步完成张拉。
在张拉过程中使用软件进行应力分析，由多次模拟发现，进行外侧预应力张拉调整时，内侧钢拉杆会损失应力值，对内外侧钢拉杆进行4次应力调整后，底部与顶部同时分别达到200KN与240KN，然后进行螺旋形钢结构坡道模拟安装，采用9批次对称安装螺旋坡道，安装完成后进行最终张拉调整，模拟中每台千斤顶平均每台设备张拉52次。
2.4.3预应力钢拉杆模拟张拉受力级形变分析
在第一次整体张拉完成之前，预应力钢拉杆每一步张拉过程中及张拉完成后，利用软件全程对屋面管桁架、预应力钢拉杆与螺旋形钢坡结构道连接节点的应力与变形进行详细分析。
经软件受力分析发现外侧张拉与内测张拉过程中会损失应力，需要进行调索，每一步调索过程中对应力进行全程检测，直到最终张拉结束。
2.4.4现场模拟施工
根据该建筑的钢结构的受力特点及计算分析所得到的钢构件的应力分布规律及数据，分层分标高布置应力监测点。
明确现场张拉顺序每一步张拉施加荷载时间，根据每一步张拉中各拉杆的应变曲线对比图，分析拉杆的上、中、下三段的应力变化曲线趋势，应力值分布趋势，分析在杆件张拉到位固定并拆除张拉设备后，拉杆的应力值变化趋势。拉杆张拉过程中，监测其余未张拉拉杆应力变化。
计算各钢拉杆的最终拉应力平均值，根据模拟计算结果，分析加载后的最终拉应力值。与模拟施工数据偏差，是否小于Q345钢材的限值305MPa，通过分析加载的总荷载值达到设计的要求，所监测的钢构件的应力值基本处于Q345的限值305MPa范围内，对实际施工起指导作用。
根据有限元模拟+试验引路技术保证施工效果能够满足设计要求，在实体施工前经过有限元软件受力分析模拟完成后，现场进行张拉实验段施工，并根据需求现场进行试验段施工，特点为全过程模拟施工能够完整的展示施工全过程结构受力与主要受力结构变形情况，能够直观的了解结构受力发生的形变，对施工制定方案有借鉴性，试验施工弥补根据有限元软件全过程的施工模拟以及受力分析中的说服性不足。
3结语
通过采用有限元模拟+试验引路技术，解决了本工程复杂体系钢结构遇到的施工技术难题，在保证工期的情况下，可加快施工效率、降低材料损耗，达到了降耗增效、环境保护、增加经济效益的效果，提升了复杂钢结构施工的技术水平，为今后预应力钢拉杆设计的发展奠定了基础。同时对于类似预应力钢拉杆悬挂钢结构体系亦有很强的借鉴经验。”
参考文献
[1]牛犇.大跨度空间钢结构施工技术研究与监测[D].天津大学,2014.
[2]杨立国.轻型钢框架端板连接节点受力性能研究[D].西安科技大学,2005.
[3]谢新颖,尹新生.预应力混凝土索梁结构体系理论与试验研究[J].四川建筑科学研究,2011,37(06):62-65.
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