湖南中国建筑第五工程局有限公司 常志强、张洪伍 410004
[摘要]超高大倾斜度钢管混凝土柱施工过程中具有难度大，危险系数高等特点，为了保证施工质量及安全，在施工前可以对超高大倾斜度钢管混凝土柱安装方案进行模拟研究来验证方案是否满足相应规范要求。本文根据我司现场施工不同阶段，利用Midas有限元分析软件进行模拟计算分析了解在每个施工阶段的应力及变形量，对比规范要求以确保钢管混凝土柱施工质量与安全。
[关键词]钢管柱；Midas；最大应力；最大变形量
1引言
我司承建的合肥市公共卫生管理中心工程1A号楼，地下室6米筏板区域斜圆管柱埋深斜段4.5m，地上圆管柱分布在1~8层顶，共计5根，倾角分别为59.688°、54.978°、60.875°、76.389°、78.519°，圆管柱施工区段也为34.8m高支模区域，存在施工难度大及危险系数高等特点，为保证斜圆管柱的施工质量及安全，本工程采用的施工方案为每阶段施工两层斜圆管柱，随后柱内混凝土采用每阶段浇筑两层，为确保混凝土浇筑过程中，圆管柱受力稳定，拟在2层顶位置加设三道斜向支撑及在钢柱加设水平支撑，支撑杆件之间围焊，顶部采用H型钢作为支撑牛腿，与钢柱围焊，保证支撑点与圆管柱受力均匀。
为了验证我司斜圆管柱施工方案是否可行，我司利用MIDAS有限元分析软件计算分析各层混凝土浇筑及钢柱梁安装过程中，圆管柱整体结构受力及变形，来验证圆管柱安装方案，保证钢管混凝土柱施工质量与安全。
2.材料分析
本工程采用的钢结构材料为Q345B类型，一到四层圆管柱内采用的C50自密实混凝土进行浇筑，五到八层圆管柱内采用C45自密实混凝土进行浇筑。
3.施工阶段受力及变形分析
3.1受力分析
结构自重：G1=软件自动计算
施工荷载：混凝土荷载Q（均匀分布圆管钢柱上）
.png)
1）1-2层钢柱悬臂状态
此阶段为钢管混凝土钢结构施工至2层顶，斜圆管钢柱及连梁安装完成，悬臂状态受力分析。
.png)
根据Midas计算结果，此阶段斜圆管柱在悬臂状态下承受荷载作用下最大组合应力为6.7N/mm2，远小于其屈服强度345 N/mm2，2层柱顶悬臂位置最大位移量为0.78mm。
2）1-2层钢柱灌砼状态
此阶段为钢管混凝土钢结构施工至2层顶，型钢梁及钢柱安装完成，正在进行1-2层柱内混凝土施工
.png)
根据Midas变形计算结果，此阶段斜圆管柱在承受荷载作用下最大组合应力为14.0N/mm2，远小于其屈服强度345 N/mm2，2层柱最大位移量1.466mm。
3.2.23-4层钢柱施工阶段
1）3-4层钢柱悬臂状态
此阶段为圆管柱施工至4层顶，连梁安装至3层，柱内混凝土灌至2层顶，圆管柱3-4层处于悬臂状态，计算考虑在阶段1-2层钢柱灌砼状态的变形及应力基础上进行计算模拟。
.png)
根据Midas计算结果，此阶段斜圆管柱在承受荷载作用下最大组合应力为34.5 N/mm2，远小于其屈服强度345 N/mm2，4层柱顶悬臂位置最大位移量为3.702mm。
2）3-4层钢柱灌砼状态
此阶段为圆管柱施工至4层顶，柱内混凝土灌至2层顶，3-4层型钢梁安装完成，正在进行3-4层柱内混凝土施工。计算考虑在3-4层钢柱悬臂状态的变形及应力基础上进行计算模拟。
.png)
根据Midas计算结果，此阶段斜圆管柱在承受荷载作用下最大组合应力为38.5N/mm2，远小于其屈服强度345 N/mm2，2层柱顶最大位移量2.45mm。
3.2.35-6层钢柱施工阶段
1）5-6层钢柱悬臂状态
此阶段为圆管柱安装至6层顶，柱内混凝土灌至4层顶，5-6型钢梁连廊及圆管柱及钢柱安装完成，5-6层钢柱处于悬臂状态。计算考虑在3-4层钢柱灌砼状态的变形及应力基础上进行计算模拟。
.png)
根据Midas计算结果，此阶段斜圆管柱在承受荷载作用下最大组合应力为40.2 N/mm2，远小于其屈服强度345 N/mm2，4层柱顶悬臂位置最大位移量为2.79mm。
2）5-6层钢柱灌砼状态
此阶段为圆管柱安装至6层顶，柱内混凝土灌至4层顶，5-6型钢梁及钢柱安装完成，正在进行5-6层柱内混凝土施工。计算考虑在5-6层钢柱悬臂状态的变形及应力基础上进行计算模拟。
.png)
根据Midas计算结果，此阶段斜圆管柱在承受荷载作用下最大组合应力为42.6 N/mm2； 远小于其屈服强度345 N/mm2，柱最大位移5层位置3.63mm。
3.2.47-8层钢柱施工阶段
1）7-8层钢柱悬臂状态
此阶段为圆管柱安装至8层顶，柱内混凝土灌至6层顶，7-8型钢梁连廊及圆管柱及钢柱安装完成，7-8层钢柱处于悬臂状态。计算考虑在5-6层钢柱灌砼状态的变形及应力基础上进行计算模拟。
.png)
根据Midas计算结果，此阶段斜圆管柱在承受荷载作用下最大组合应力为45.8 N/mm2，远小于其屈服强度345 N/mm2，最大位移为4层顶位置的3.78mm，悬臂端最大位移2.57mm。
2）7-8层钢柱灌砼状态
此阶段为圆管柱安装至8层顶，柱内混凝土灌至6层顶，7-8型钢梁及钢柱安装完成，正在进行7-8层柱内混凝土施工。计算考虑在7-8层钢柱悬臂状态的变形及应力基础上进行计算模拟。
.png)
根据Midas计算结果，此阶段斜圆管柱在承受荷载作用下最大组合应力为47.0 N/mm2，远小于其屈服强度345 N/mm2，柱最大位移为5层顶位置3.83mm。
通过对斜圆管柱安装的四个阶段模拟计算分析，在整改施工过程中，每个阶段的最大应力值与最大位移量如下表2所示：
.png)
根据表2最大应力值和最大位移量可知，在整个斜圆管柱施工过程中最大组合应力值为47.0 N/mm2，最大位移量为3.83mm，本工程采用的钢材为Q345B类型施工过程产生的最大组合应力值为远小于其屈服强度345 N/mm2，利用Midas的钢结构验算功能，自动根据《钢结构设计规范》（GB50017-2017）[1]进行验算得出最大位移量满足规范要求，最终得出本工程采用的超高大倾斜度钢管混凝土柱安装方案具有可行性，满足质量和安全要求。
4.结语
本工程超高大倾斜度钢管混凝土柱安装位于34.8m高支模区域，因斜圆管柱倾斜角度大，所以施工过程存在难度高和危险系数大等特点，利用MIDAS有限元分析软件计算分析安装方案过程中每个阶段的圆管柱承受的最大组合应力及最大位移量，对比相关规范可以在施工前了解本工程斜圆管柱的安装施工方案是否可行，并把握施工过程的控制重点，在经济方面较大限度的减少返工修补造成的人工及材料损失，同时也大大减少了工期，加快了工程进度，隐形成本减少，故拥有较为明显的经济效益，同时本工程采用的斜圆管柱的施工方案也为今后类似工程施工提供了一定的经验。
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部GB50017-2017钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2017。