珠海某鱼腹式钢结构采光顶设计工程实例探讨

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摘要：本文主要探讨了对尺寸精度要求较高的采光顶，在设计阶段如何采用ANSYS模拟密集焊缝对结构的影响，以及考虑各种工况下构建整体受力情况，并在施工阶段采取了多种手段和技术措施来保证其正确和按工期安装。

关键词：采光顶钢结构焊接应力模拟残留应力鱼腹ANSYS

中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：

1 引言

随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑的设计使用有了新的要求。建筑的设计施工不再仅仅局限于建筑的实用功能，对建筑物的整体造型和光影效果等有了更多的追求。

玻璃采光顶是中庭建筑不可缺少的装饰和实效并重的一种屋面，主要是为了解决室内的采光，后来逐渐发展成为现在的以装饰和采光为目的的一种新的建筑形式。玻璃采光顶的技术难度较大，其荷载除自重、风荷载外，还要考虑施工过程和雨雪等荷载。而这一系列的特殊要求，对设计和施工人员的综合素质提出了更高的要求。

2 工程概况

本项目地处珠海横琴岛，三面环山一面靠海，为某大型集团开发的五星级酒店中会议中心的中庭采光顶，钢结构整体采用全焊接方法固定。纵向尺寸达34米，横跨最大处10米，最小处4米，中间最大拱高为1.7米，两端拱高为0.8米。整体呈长条状，两端窄，中间宽，向室外突出的圆拱鱼腹造型，安装于结构标高为11米屋面反梁上。而屋面采用钢框架梁上铺轻钢混凝土楼板的构造，由于整体跨度较大，无法采用悬挑结构，最终采用了于采光顶上方横跨弧形钢梁的方法，使横跨会议大厅上空的楼板梁形成整体，方满足结构受力要求。但也使到鱼腹采光顶无法按普通钢结构整体吊装施工，如何在保证工期的情况下优化设计施工方案成为需首要解决的问题。

3 方案分析确定

由于采光顶上空有主体钢梁阻碍，钢架无法在工厂焊好后整体运输吊装，因此必须采用其他方法进行安装[1]。

3.1方案一，采取完全散件瓶装

此方案是将所有材料运至工地现场，然后在施工作业面放线。根据图纸，按下料单放样试装，试装无误后将主龙骨分步骤定位安放，根据理论尺寸划分分格定位点，校核调整后根据分格定位点安装次骨架和附加骨架，复核之后开始全焊。

此法的优点在于，可根据现场实际情况灵活调整构件尺寸和施工安装顺序，避免预制件运至工地后发生不可预料的情况，从而进行大规模修改或退货回厂，造成时间和经济上不可预测的损失。

但在施工过程中，由于钢结构本身采用全焊接连接方式，现场将面临大规模的焊接作业，容易产生不可逆转的较大的焊接形变，以及较长的作业时间，对现场调度和质量控制造成较大压力。特别是焊接后变形无法调整和改正，这对已采购的上层玻璃安装将造成不可估计的影响。

采光顶主骨架轴线模型

3.2 方案二，采用分段预制拼装

此方案是将34米的钢结构分成九段，每段在工厂拼装后再运到工地吊运拼装。

此法优点在于将大部分拼装作业转移到工厂，能节省大量的现场安装时间，并能较好地控制焊接质量。另外也可在工厂进行底漆和中间漆的涂装，进一步保证质量。

但采光顶位于结构标高为11米的楼面中央，上空没有塔吊等吊具，吊装必须采用汽车吊或履带吊等施工机具，成本有所上升。另外主体钢梁也有阻隔，不易一步到位实施拼装。

3.3 方案确定

经协调现场与工厂，发现分段预制拼装再吊装实施上确实存在很大困难，而且此采光顶跨度较大，造型复杂而且整体性强。杆件不是简单的横竖搭接，而是主龙骨形成横跨的拱造型，而次龙骨分段连接成一条连续的空间曲线。而且主龙骨上层还有装玻璃的附加龙骨，两层龙骨不能错开，要形成分层但又统一的整体，精度要求很高。由于主龙骨拱是每三跨设置一个支点，如果在厂里组好再现场拼装的话，工厂误差加上运输变形等复杂因素，到场安装后并不能保证连接处能够顺滑理想过渡，拼装后无法确保其外观的美观性。鉴于此，最终决定采取方案一。

对于现场将有大量焊接，加上每三跨才设置一个支座，如不预先考虑设置反向预变形，主龙骨将产生很大的形变。在加工前必须通过软件模拟，计算出预拱度，然后再由加工厂弯好主龙骨造型，再运到工地安装。

4 预拱度分析及加载计算

4.1 分析思路及参数

众所周知，在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生复杂的残余应力分布。残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。因此在整体加载时必须考虑密集焊接应力对结构产生的影响。

本工程采用大型有限元计算软件ANYSY进行模拟计算，以对龙骨变形进行评估及指导预拱的设置。ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。

间接耦合法的处理思路为先进行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形[2]。即：

(1)使用热分析的手段进行分析，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。

(2)重新进入前处理中,将热分析单元转换为相应的结构分析单元，设置结构分析中材料属性,如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。

(3)读入热分析的结点温度作为结构分析的荷载,设置参考温度,结构分析求解残余应力。

而直接耦合法为采用ANSYS提供的可以进行复合域（热-力学分析）分析的单元类型，同时进行热分析与力学分析，从而获得焊接后的变形与残余应力。

此工程采用ANSYS中的实体单元，以直接耦合的方法对焊接过程进行模拟分析。

采用的材料计算参数说明如下。

钢材应力应变关系采用双线性随动强化非线性关系，不同温度下的应力应变曲线如图所示，其中，

(1)折点位置为屈服应力，常温下取为345xE6 N/m2；

(2)曲线斜率为弹性模量E，常温下取为2.06xE11N/m2；

(3)达到屈服点后的弹性模量取值较小以模拟钢材的塑性屈服。钢材弹性模量采用随温度变化的非线性关系，如图所示。未考虑以下参数随温度的变化，而将其取为常数：

热膨胀系数取为1.4x10-5m/m·K

热容量取为520J/(kg·K))

热传导系数取为49.8W/(m·k))

泊松比为0.3

密度为7850N/m3

为方便起见，焊药的热力学性质和力学性能取与钢材相同。

应力应变曲线及常数取值

4.2 考虑焊接应力的荷载计算

将以上参数输入常数项，然后将主龙骨拱分有固定端和无固定端两种情况分别加热荷载进行变形分析。

节点变形分布图

根据热加载分析结果，确定龙骨整体变形量，并记下焊接残留应力最大处应力，以便稍后与风雪荷载一同检验结构安全性。

本项目地处海边，风压取0.85kN/m2，地震设防为7度，地区粗糙度为A类。将风压自重及施工荷载添加上原有模型之后，进行组合计算。由于本钢结构用途为采光顶，风荷载取值方向为重力反向，正好与钢结构和玻璃自重抵消。而且经过计算，即使叠加上焊接残留应力较大处，主龙骨杆件也不会超过材料承载能力。下图为支座反力数值图示，也是在承载范围内。因此，此结构完全能够满足五十年一遇台风的设计要求。

支座反力图

4.3 分析结果

经过先后对钢结构模型进行热加载和卸载，得出各杆件在密集焊缝影响下的变形量，从而预先设置反拱量。接着对结构施加规范规定的设计荷载，通过软件进行均布荷载加载，得出最不利情况下的内力状况，连同焊接残余应力，再检验长细比等承载能力，最终确认结构完全能够满足设计要求。

另外，根据施工后复测数据表明，反拱的预设使结构在焊接后与理想尺寸偏差最大处仅为2cm，完全可以满足采光顶的精度要求。由于本设计方案仅考虑主龙骨变形，未将次龙骨和玻璃附加龙骨考虑进去，所以与实际存在一定的偏差实属正常。但抓主要矛盾解决问题的方法已能解决实际工程问题，不仅精度可以接受，而且节省大量时间，值得推广。

参考文献：

1 居荣初，陈音飞，邵雄飞《轻钢结构特点及其发展趋势》[J],中国建筑金属结构,2002

2 薛勇，张建勋《基于ANSYS软件的焊接变形工程预测》 焊接技术，2001