杭州火車東站橢圓錐管鋼柱施工支架模擬分析

李芬紅

(浙江同濟科技職業學院，浙江杭州 311210)

0 引言

由于杭州火車東站站房鋼結構屋蓋桁架跨度大，每榀桁架自重重，屋面離地面高度高，為了建筑美觀，同時滿足跨度大、高度高的要求，工程設計時采用橢圓錐管鋼柱為支承柱。

1 工程概況

杭州火車東站站房鋼結構屋蓋長度為490多米，寬度280多米，最高點標高為39.100，桁架最大跨度為111.6 m，桁架最大截面高度為7 m。

考慮到溫度作用產生的應力對結構的影響，在長度方向設置了兩道伸縮縫，即把屋蓋分成了3個溫度區段。施工時每個溫度區段可以當作一個施工區段，此處以軸～軸/⑥軸～軸為一個施工區段。此施工區段，在軸和軸上有橢圓錐管鋼柱，每條軸線上6根(見圖1)。由于外伸橢圓錐管鋼柱 GKZ3，GKZ3a(GKZ3a與GKZ3對稱)為安裝難度最大的鋼柱，故橢圓錐管鋼柱的安裝施工方案以GKZ3為典型進行分析說明。GKZ3柱頂與桁架相連，柱底標高 －3.350，柱頂標高24.940，垂直高度28.290 m，柱軸心線傾角為63.7°。柱底短軸長1 170 mm，長軸長2 144 mm;柱頂短軸長4 928 mm，長軸長5 808 mm。柱體總重約1 000 kN，柱頂負載1 500 kN。施工支架底標高為±0.000。

2 橢圓錐管鋼柱施工方案

橢圓錐管鋼柱傾斜角度大、上部負載大、地面土質松軟、地面承載力低，柱垂直高度達28.290 m，穩定性差。如支架發生沉降，橢圓錐管鋼柱傾角發生變化，中心跨度加大，屋面主桁架難以合龍。故在保證橢圓錐管鋼柱施工支架強度的同時，必須加強對橢圓錐管鋼柱施工支架的變形控制以及支架基礎的加固處理，以減小橢圓錐管鋼柱的偏差。

圖1 軸～ 軸/軸～軸屋蓋桁架軸測圖

由于橢圓錐管鋼柱高度高，自重大，施工定位難，施工時采用分段吊裝、現場拼接的施工方法，通過對施工支架進行模擬分析，確保橢圓錐管鋼柱施工安全順利地進行。吊裝時采用250 t和260 t的履帶吊。

1)橢圓錐管鋼柱分段重量表見表1。

表1 橢圓錐管鋼柱分段重量表

2)橢圓錐管鋼柱安裝流程。安裝時按表1中的分段情況進行逐段安裝(見圖2)。

圖2 橢圓錐管鋼柱安裝示意圖

3 施工支架模擬分析

橢圓錐管鋼柱施工階段，必須進行施工階段非線性分析，通過施工分析確定方案合理后才能采用，若不合理，必須根據分析結果調整方案，直到合理為止。此處根據圖2的安裝流程對橢圓錐管鋼柱施工支架進行施工模擬分析，并根據分析結果調整得到經濟合理、安全可靠的施工方案。

3.1 施工過程中荷載計算

恒荷載:包含支架和橢圓錐管鋼柱自重。

恒荷載分項系數:1.2(考慮施工過程中可能出現的不利情況)。

恒荷載有利時分項系數:1.0。

附加恒荷載:橢圓錐管鋼柱柱頂1 500 kN。

支架風荷載影響:W0=0.45 kN/m2，體型系數:μS=1.3，高度分別取10 m，20 m，30 m，地面粗糙度:B類。

WK10= βZμSμZW0=1.00 ×1.3 × 1.00 ×0.45=0.585 kN/m2，取 0.60 kN/m2。

WK20= βZμSμZW0=1.00 ×1.3 × 1.25 ×0.45=0.731 kN/m2，取 0.75 kN/m2。

WK30= βZμSμZW0=1.00 ×1.3 × 1.42 ×0.45=0.830 kN/m2，取 0.85 kN/m2。

3.2 施工模擬分析

3.2.1 變形分析

控制支架變形的目的是為了控制橢圓錐管鋼柱的側移，故以下主要通過對各施工階段進行變形分析，查看橢圓錐管鋼柱的位移，分析結果見變形云圖(見圖3～圖7)。

圖3 第一步安裝后支架變形云圖

第一段橢圓錐管鋼柱頂位移為:U1:0.841 6 mm，U2:0.001 9 mm，U3:0.464 5 mm。

圖4 第二步安裝后支架變形云圖

第二段橢圓錐管鋼柱頂位移為:U1:0.109 7 mm，U2:0.000 2 mm，U3:0.096 2 mm。

圖5 第三步安裝后支架變形云圖

第三段橢圓錐管鋼柱頂位移為:U1:0.356 8 mm，U2:0.000 8 mm，U3:0.258 6 mm。

圖6 第四步安裝后支架變形云圖

第四段橢圓錐管鋼柱頂位移為:U1:0.319 7 mm，U2:0.001 0 mm，U3:0.196 2 mm。

第五段橢圓錐管鋼柱頂位移為:U1:3.956 7 mm，U2:0.326 8 mm，U3:2.457 7 mm。

3.2.2 支架桿件應力分析

根據計算，第五段安裝完畢后支架桿件的最大應力比為0.7，應力比圖見圖8。

3.2.3 支架整體穩定分析

要保證橢圓錐管鋼柱的安裝能安全順利地進行，就必須首先保證支架本身的整體穩定，通過屈曲分析(Buckling分析)結果判斷支架的整體穩定情況，荷載取值為支架自重與鋼柱自重的和再乘以分項系數1.2，屈曲分析各階模態圖見圖9～圖13，屈曲分析比例因子見表2。

圖7 第五步安裝后支架變形云圖

圖8 構件應力比圖

圖9 Buckling分析第一模態圖

圖10 Buckling分析第二模態圖

綜上所述，構件最大應力比未超過0.7，支架在水平力作用下結構位移很小，支架滿足變形要求;橢圓錐管鋼柱GKZ3最大位移為:U1:3.956 7 mm，U2:0.326 8 mm，U3:2.457 7 mm，空間位移總量為:4.669 3 mm，變形滿足規范要求;屈曲分析比例因子最小值為43.575，支架整體穩定安全系數大，滿足施工要求。

圖11 Buckling分析第三模態圖

圖12 Buckling分析第四模態圖

圖13 Buckling分析第五模態圖

表2 屈曲分析比例因子

4 結語

通過對橢圓錐管鋼柱施工支架進行變形、強度、穩定等各方面的模擬分析，得到了安全可靠的施工方案，不僅保證了橢圓錐管鋼柱施工的安全順利進行，還為整個項目的順利進行奠定了基礎，也為類似項目的施工分析起到了指導性作用。

［1］ GB 50009-2012，建筑結構荷載規范［S］.

［2］ GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

［3］ 北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［4］ GB 50153-2008，工程結構可靠性設計統一標準［S］.