苏州湾文化中心弯扭钢飘带施工过程模拟分析
1 工程概况
苏州湾文化中心位于苏州市吴江区湖景街以西、阅湖台以东，由苏州大剧院和吴江博览中心组成，飘带中间区域包括大剧院舞台区和观众厅以及博览中心的博物馆、规划馆以及会议中心。地下2层，地上7层，最大结构标高58.000m，总建筑面积约21万m2。其中上飘带长370m，下飘带长413m，为四弦菱形空间弯扭钢管桁架，最大管径1 000mm×40mm，飘带中间跨度达93m，最高点标高约为58.000m，最低点标高约为16.000m，如图1所示。
2 施工重难点
1)钢飘带跨度大、结构复杂、支撑点少，通过桁架的多向弯扭来满足大跨度结构的整体性，飘带钢结构施工时上、下飘带同时施工，在上、下飘带投影位置汇聚的位置先施工下飘带，随后进行上飘带的吊装。钢飘带安装精度以及是否存在应力集中等问题是本工程的重点。
2)钢飘带安装时选择采用地面小单元拼装，单元件整体吊装的方式，首先需要对钢飘带进行分析，在满足小单元稳定的条件下进行合理分段。在分段位置设置格构式胎架，格构式支撑形式的选取是另一难点。
3 钢飘带安装过程模拟
3.1 安装单元划分
1)满足结构特点
根据本工程的结构特点，为了保证钢飘带结构分段的完整性，将钢飘带结构在长度方向分为片状单元和各片单元之间的次向连接杆件(高空散件拼装)。
2)利于临时支撑系统的布置
考虑分段处的临时支撑竖向构件位于土建结构的柱顶或主梁上，保证临时支撑系统受力合理性，将径向分段线控制在上支座支撑范围内。
3)减少高空拼装工作量
为减少高空散件的拼装工作量，尽量将主结构一侧的次弦杆及主、次弦杆之间的次向杆与主桁架在地面拼装成整体后吊装。
4)便于吊装单元地面拼装
吊装单元划分应尽量减小地面拼装及临时支撑措施的高度，减小地面拼装的措施量及高空作业。
3.2 钢飘带施工流程
钢飘带拼装顺序主要考虑飘带各部分的标高情况以及施工难度等因素，首先，从下飘带两端同时安装第1片单元;然后，依次安装下一片单元，并补齐与上一片中间联系杆件，直到跨度中间部分整体提升就位;最后，按上述方法完成下飘带施工步骤。具体施工流程如图2所示。
3.3 飘带拼装过程模拟分析
根据上述施工方案，针对各拼装单元设置施工步骤，以下飘带施工流程为例，共分为14个施工阶段。拼装过程中由于单元体的形状差异较大，且拼装高度和角度各不相同，需要考虑风荷载对施工过程的影响。荷载考虑自重及风荷载。自重采用1.2倍系数，设定为恒荷载。风荷载选取50年一遇的风荷载基本值，折合到每个节点，取飘带部分节点力大小为1.3kN，胎架部分节点力大小为0.2kN，计算时重力荷载增加y向，系数取0.12，折合后，合力比风荷载合力略大。
整个施工模拟过程主要观测钢飘带结构和临时支撑是否满足承载力要求，下飘带在拼装过程中的应力、位移和稳定性变化曲线如图3所示。由施工模拟分析变化曲线可知，下飘带在拼装过程中最大应力为58.36MPa，最大水平位移为17.46mm，最大竖向位移为0.27mm，最大应力比为0.33;由结果可知，在单元拼装阶段，下飘带施工最不利工况发生在第5,6和9阶段。由于钢飘带拼装单元质量较大，且钢飘带平面与水平面倾角超过60°，施工难度大，拼装过程中会产生较大的应力和变形，但均在规范允许范围内。
图2 钢飘带施工流程
Fig.2 Construction process of steel ribbon
在卸载阶段最大应力为87.11MPa，最大水平位移为47.94mm，最大竖向位移为41.84mm，最大应力比为0.43。在卸载阶段，下飘带的应力和变形随着支撑的逐步拆除呈上升趋势，当支撑全部拆除时，飘带的应力、位移和应力比均在满足承载力范围内。
3.4 支撑卸载过程模拟分析
计算时，将胎架顶模拟为1个支座，卸载时释放支座约束。以此形式来模拟胎架的卸载过程。本次比选只考虑一次性卸载过程。计算结果如表1,2所示，单位为t(节点数量较多，以10个节点为例)。
以全部节点数制成如图4所示，横坐标代表卸载开始时反力值，纵坐标代表最大和最小反力值。
表1 从中间到两端卸载过程节点反力值
Table 1 Node reactions during unloading from the middle to both ends
表2 从两端到中间卸载过程节点反力值
Table 2 Node reactions during unloading from both ends to the middle
图中显示，从两端到中间卸载时，数据离散性较大，且局部点反力值较大;反向的反力也较多，对胎架及顶部工装的要求较高。故选择从中间到两端卸载。
3.5 测量控制
施工过程中测量控制措施有助于跟踪荷载组合作用下整体结构的变形情况，其中结构屈曲和荷载模式密切相关，本工程采用特征值法对卸载后的结构进行屈曲分析。荷载工况如下。
图4 卸载过程节点反力散点
Fig.4 Dispersion point of node reaction during unloading process
1)1.2恒载(结构自重)+1.4活载(施工荷载)。
2)1.2恒载(结构自重)+1.4活载(施工荷载)+0.8风荷载。
计算表明各荷载工况下结构的前三阶屈曲模态为左右摆动，两种荷载工况下屈曲荷载系数最小为12.9，大于规范限值10.0，分析计算按照一阶弹性分析进行。竖向荷载作用下，屈曲分析计算结果表明:工况1第一、二阶屈曲模态为水平向摆动，第三阶屈曲模态为竖向振动。工况2考虑风荷载后，飘带整体屈曲系数有一定减小，结构第一、三阶屈曲模态为水平向摆动，第二阶屈曲模态为竖向振动。
各荷载工况下结构前3个屈曲模态如图5,6所示。
4 结语
1)通过施工模拟分析，得出钢飘带拼装过程中，结构强度、刚度和稳定性均在承载力范围内，且在第5,6和9阶段中，各应力数值相比其他阶段变化较大，属于拼装过程中最不利工况，施工时需要保证单元拼装精度。
2)观察两种卸载顺序中支座反力的变化情况可知，中间向两端卸载的方案中应力变化幅值更小，满足施工要求。
3)运用测量控制手段能够更好地指导施工，通过两种工况下3种模态的测算分析，得出各屈曲模态的数值及摆动方向，为无人机等装置辅助施工提供条件。
[2]蔡威威,刘晓斌,张涛,等．哈尔滨太平机场T2航站楼钢网架工程提升架安装空中接力施工技术[J]．施工技术,2017,46(15):38-41.
[3]曹江,郭亮亮,郭正兴,等．援柬埔寨国家体育场斜拉索桁结构施工过程分析[J]．施工技术,2018,47(20):58-61.
[4]丁奇,于德湖,张同波,等．红岛国际会展中心登录大厅钢结构施工模拟分析与智能监测[J]．施工技术,2019,48(14):86-90.
[5]徐义明,徐云雷,刘世豪,等．杭州国际博览中心彩带支撑结构施工模拟分析[J]．施工技术,2014,43(20):35-38.
[6]马宏睿,赵鹏飞,汤荣伟,等．武汉火车站雨棚结构施工模拟计算分析[J]．建筑结构,2009,39(1):31-34.