大跨钢结构施工与振动敏感性分析.pdf

中国科技信息 2024 年第 5 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-60-两星推荐随着人类建筑水平的不断提高，建筑工程项目的高度不断增加、跨度不断延展。高度的增加和跨度的延展，是人们追求更大有效空间的必然趋势，同时也体现了建筑领域科学技术水平的进步。在大跨度工程项目中，以钢结构作为基本框架是一种非常常见的手段。钢结构不仅强度好、刚度好，也易于有效连接和拓展，因此特别适合于大跨度工程项目的设计和施工。本文中，就将大跨度钢结构应用于华域汽车技术研发中心建筑工程项目，成功地解决大型商业建筑的施工问题。需要指出的是，大跨度钢结构会遇到较为严重的振动问题。一方面，钢结构的振动效应与外界环境条件、激发条件、钢结构自身情况密切相关。另一方面，钢结构的跨度增加时，会因为尺寸的增大而造成自振频率的增加。大跨度钢结构的刚度和质量，都比普通钢结构要明显增加，对于纵向挠度也会产生影响。在这样的情况下，分析大跨度钢结构的振动敏感性，对于大跨度工程项目的稳定性也具有十分重要的意义。大跨钢结构的施工构建为了便于阐述大跨度钢结构的施工，本文以一个具体的工程案例为对象来进行说明。工程名称为华域汽车技术研发中心建筑工程项目钢结构工程，建设单位是华域汽车系统股份有限公司，设计单位是同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，总承包单位是上海建工二建集团有限公司，建筑规模总面积为 100 311.4m2，其中地上 64 011.4m2，地下36 300m2。华域汽车技术研发中心建筑工程项目位于上海市浦东新区科苑路501号，由3层裙房和3栋10层建筑（A、行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度大跨钢结构施工与振动敏感性分析赵忠营赵忠营上海建工二建集团有限公司图 1 华域汽车技术研发中心建筑工程项目的大跨度钢结构设计-61-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 5 期两星推荐B、C 楼）组成，裙房建筑最大高度 16.1m，高层建筑最大高度为 49.3m。华域汽车技术研发中心建筑工程项目采用了大跨度钢结构进行设计，其钢结构示意如下。工程包括 3 栋高层和高层间联系裙房组成，主体结构类型为钢框架结构。钢结构广泛分布于地下室负一层以上，主要构件类型包括箱型柱、圆管柱、箱型梁、H 型钢梁、钢楼梯。钢材材质包括 Q235B、Q345B、Q345GJB、Q390GJB，最大板厚为 60mm。工程项目中，各楼宇的技术参数如表 1 所示。表 1 工程项目施工中的技术参数序号 单体名称建筑高度（m）层数（地下室）结构类型工程量（t）1A 楼49.310（2）钢框架结构3 9852B 楼49.310（2）钢框架结构2 6503C 楼49.310（2）钢框架结构2 7154D 楼16.103（2）钢框架结构1 255本工程 A 楼三层存在两根跨度 24.4m 的大跨度箱型钢梁（钢梁编号 GL4），截面为口 1 6008004060，跨度为 24.4m，单件总重 46t。施工过程中，大跨度钢梁分布在 DE 轴/69 轴分成三段吊装；临时支撑胎架布置在距 6轴和 9 轴 8m 处位置，胎架底部预埋锚栓与楼板临时固定，胎架顶部设置 H 型钢和千斤顶支撑分段钢梁并卸载；选择75t 汽车吊 20.1m 主臂，起重量 26.2t，构件重量 16.15t，安全系数 K=26.2/（16.15+1）=1.52 1.2，满足安全系数要求。大跨钢结构振动敏感性分析基于虚功模型的敏感性分析大跨钢结构施工后，主要的安全问题来自振动影响。因此，本文针对大跨钢结构的振动敏感性进行研究。大跨钢结构形成以后，各个构件之间彼此形成约束和制约。当其中一个构件受到影响而发生某种改变时，会将这些影响间接地传递到与其相邻、间接相邻的其它构件。在这种复杂的约束关系下，就可以对大跨钢结构的整体进行包括振动敏感性在内的各种敏感性分析。在这一领域中，约束模型已经成功运用到钢结构伸臂桁架的施工和优化、钢结构侧向力的平移和转动力学分析等。约束模型在实际运用的过程中，又可以演化成两种不同的模型，一是虚功模型，二是增量模型。首先来看虚功模型。虚功模型是充分考虑大跨钢结构所受到的各种影响因素，进而将这些影响因素设定为对应的约束条件，在分析某一个条件时假定其他条件都不发生变化，从而可以观察到这个条件的变化对大跨钢结构某个方面的影响程度。依据虚功模型，设定敏感性参数，如公式（1）所示：kikivgs=（1）这里，i 表示的是影响大跨钢结构的第 i 个条件，k 表示的是影响大跨钢结构的第 k 个条件，kis表示的是当第 k 个条件发生变化时大跨钢结构中第i个条件表现出来的敏感程度，也称之为敏感系数，gi表示的是当第 k 个条件发生变化时大跨钢结构中第 i 个条件出现的改变量，vk表示的是大跨钢结构中第 k 个条件的改变量。进一步，考虑一种极限的情况，当大跨钢结构中第 i 个条件的改变量趋近于 0 即其变化非常微小时，公式（1）中的各种变化量变成了微元的形式，从而使得敏感性参数的计算等同于微分求导的过程，如公式（2）所示：（2）这里，i 表示的是影响大跨钢结构的第 i 个条件，k 表示的是影响大跨钢结构的第 k 个条件，Sik表示的是当第 k 个条件发生变化时大跨钢结构中第i个条件表现出来的敏感程度，也称之为敏感系数，dgi表示的是当第 k 个条件发生变化时大跨钢结构中第 i 个条件出现的改变量微元，dvk表示的是大跨钢结构中第 k 个条件的改变量微元。在实际运用的过程中，公式（1）和公式（2）中的条件要具体化，比如体积条件、质量条件、刚度条件、强度条件、振动频率条件等。由此，公式（1）和公式（2）中所定义的敏感度参数，就分别对应了体积敏感度参数、质量敏感度参数、刚度敏感度参数、强度敏感度参数、振动频率敏感度参数。为了实现这些参数的量化求解，可以运用虚功原理。在虚功理论体系之下，外力所引发的大跨钢结构出现的虚功变化等于内力所引发的虚功变化，即外力虚功和内力虚功相等，这一表达如公式（3）所示：We=Wi （3）这里，We表示大跨钢结构所受的外力所做的虚功总和，Wi表示大跨钢结构所受的内力所做的虚功总和。将虚功模型和大框钢结构的各个构件结合起来，可以形成如下的关系：=PkkeeW1 （4）这里，We表示大跨钢结构所受的外力所做的虚功总和，k 表示大跨钢结构中的构件序号，P 表示大跨钢结构的全部构件，ek表示大跨钢结构中的第 k 个构件。至此，在虚功原理的基础上，大跨钢结构的虚功、大跨钢结构的力学特性、大跨钢结构的构件之间建立了相互间的联系，可以形成由此及彼的关联关系的推演。例如，可以假定大跨钢结构中各构件的材料密度条件不变、强度刚度不变，从而分析因振动所引发的各构件的几何特征情况的改变。这种几何特征，包括每个构件的体积、截面积、长度、转角、挠度等。基于增量模型的敏感性分析大跨度结构设计变量较多，若在优化过程中计算每一个设计变量的敏感性系数，整个优化过程将耗费大量时间，且对于整体结构优化来说，精确到构件层级的敏感性分析并不具有必要性，可通过概念判断或工程经验将设计变量成组。对于不同组的设计变量，若设计变量改变量相等，对于敏感性系数的比较可以转换为对约束条件改变量的比较。等增量敏感性就是指不同构件组增加相同成本，引起某约束条件的变化量。通过比较约束条件的变化量，可判断各构件组的敏感性。若约束条件改变量为正，构件组的敏感性系数为正；若约束条件改变量为负，构件组的敏感性系数为负；若约束条件改变量为零，构件组对约束条件不产生影响。中国科技信息 2024 年第 5 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-62-两星推荐虚功敏感性系数分析法通过虚功原理等数学、力学方法推导建立设计变量和约束条件之间的显式关系，再求出约束条件对某设计变量的偏导，即敏感性系数。可提取结构模型的真实工况和虚拟工况下构件受力、构件尺寸及材料参数，还可以通过编程计算单根构件敏感性系数，再对同一构件组进行敏感性系数的加权平均（权重为构件成本或体积）。程序仅运行一次即可获得约束敏感性。增量敏感性分析方法通过对不同构件组增加成比例的成本或体积，利用通用结构分析软件比较约束条件的变化量，以此判断各构件组的敏感性。构件分组越精细，计算结果越精确；但分组越精细，计算模型越多，耗费的时间也越长，因此要结合考虑工程需要和计算结果准确度等因素合理确定构件分组的数量。基于自振模型的敏感性分析在振动敏感性分析领域，除了虚功模型法和增量模型法，自振模型法也是一种有效的手段，三者之间也存在一定联系。根据瑞利模型理论，可以计算出一个具有振动特性的系统的频率，当然这个固有频率的计算结果是一个近似结果，但是其在最小固有频率的计算上是可以达到非常接近的水平。同样地，瑞利模型对于大跨钢结构的固有频率计算，也是可以实现的。假定被研究对象做简谐振动，那么结合能量守恒定律，根据瑞利模型的推演，可以得到振动频率和虚功之间的关系，如公式（5）所示：MWT=2 （5）这里，表示大跨钢结构的固有频率，W 表示大跨钢结构所做的虚功，M 表示大跨钢结构的质量，表示大跨钢结构的振型向量。根据振动频率和振动周期的关系，可以进一步得出下面的关系，如公式（6）所示：2=T （6）这里，表示大跨钢结构的固有频率，T 表示大跨钢结构的振动周期。结合公式（5）和公式（6）可知，大跨钢结构的固有振动频率和多个因素有关，包括大跨钢结构的质量、大跨钢结构所做的虚功、大跨钢结构的振型向量、大跨钢结构的振动周期等。这些因素中的某一个条件或某几个条件发生改变，都会引起大跨钢结构振动特性的改变。实验结果与分析在前面的工作中，针对华域汽车技术研发中心建筑工程项目进行了大跨钢结构的施工，给出了施工过程和施工效果图。因为大跨钢结构会受到振动因素的显著影响，因此在后续工作中设计了三种分析大跨钢结构振动敏感性的方法，分别是基于虚功模型的敏感性分析方法、基于增量模型的敏感性分析方法、基于自振模型的敏感性分析方法。在接下来的工作中，将通过实验对比来分析三种方法对于大跨钢结构振动敏感性分析的有效性。实验过程中，以华域汽车技术研发中心建筑工程项目中大跨钢结构的 5 个不同位置进行测试，对比三种方法对于振动的敏感性。这 5 个位置在不同的区域，所在的高度、构件配置都有所不同，三种方法对于振动敏感性的测试结果如图 2 所示。图 2 中，横坐标代表了振动敏感性测试所选择的 5 个不同位置，纵坐标代表了大跨钢结构振动敏感性的程度，单位是 1/1 000。图中白色柱代表了基于虚功模型法完成的振动敏感性测试，斜剖面线柱代表了基于增量模型法完成的振动敏感性测试，雪花点剖面柱代表了基于自振模型法完成的振动敏感性测试。从图 2 中 5 个位置的三种方法对比结果可以明显看出：第一，基于自振模型法的振动敏感性测试效果最佳，其敏感程度要高于其他两种方法，可以最有效地检测到大跨钢结构可能出现的意外振动。以第 5 个位置为例，基于自振模型法的振动敏感性测试达到了 0.7/1 000，而同一位置的虚功模型法和增量模型法的振动敏感性测试分别为 0.61/1 000 和 0.6/1 000。第二，基于增量模型法的振动敏感性分析和基于虚功模型的振动敏感性分析各有优劣，在振动幅度较小的位置上，基于增量模型法的振动敏感性更强；在振动幅度较大的位置上，基于虚功模型法的振动敏感性更强。第三，从 5 个位置的情况来看，这 5 个位置因高度、位置、构件配置的不同，振动强弱也不相同。其中，第 5 个位置的振动效果最为明显。结语大型建筑因整体规模、建筑高度、建筑跨度的增加，需要配置大跨钢结构。为了实现大跨钢结构的稳定安装，应该配置合理的施工流程，并确保其施工后更高的安全性。本文中，针对华域汽车技术研发中心建筑工程项目进行了大跨钢结构的施工，给出了详细的施工流程。其后，针对大跨钢结构的振动敏感性，提出了三种分析方法，虚功模型法、增量模型法、自振模型法。针对华域汽车技术研发中心建筑工程项目中的大跨钢结构，展开振动敏感性的分析对比实验，选取了 5 个不同位置并同时采用三种不同的方法进行分析。实验结果显示，基于自振模型的方法，对于大跨钢结构的振动敏感性最强，有效检出率最高。图 2 三种方法下大跨钢结构的振动敏感性对比结果