大跨度鋼結構屋架整體提升支架選型的研究與應用

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

1 概述

上海浦東國際機場上海科技宇航有限公司大修機庫工程大廳屋蓋鋼結構單跨跨度156.8 m，進深79.7 m。屋蓋結構為網架+桁架的組合結構，網架結構采用3 層斜放四角錐鋼網架，網架高度7 m；機庫大門處屋蓋采用焊接H型鋼截面桁架，桁架高度13.8 m。屋蓋下弦支承于周邊混凝土柱上，網架和桁架構件總質量約2 850 t。

2 整體提升支架初步設想

鋼結構整體提升技術被廣泛應用在大跨度鋼結構的提升施工技術中，但在整體提升支架的選型上，仍普遍存在一定缺陷[1]。

整體提升吊點支架的常規做法為：在大跨度鋼結構屋架四周的原結構立柱上設置懸挑鋼平臺，在鋼平臺上放置液壓提升器及液壓泵源系統等設備。此種提升支架的做法，在提升時原結構立柱受到偏心力的作用，承受較大的彎矩影響，對原結構立柱的裂縫控制極其不利，往往需要對原結構立柱進行一定的補強[2]。

在本次大修機庫大廳提升支架設計時，希望采取對稱設置提升支架的方式，來解決原先提升支架方案中結構柱偏心受力的問題。

3 整體提升支架的選型

3.1 建立計算模型

大修機庫鋼結構屋下的支承混凝土柱截面形式為1 800 mm×1 200 mm（1 000 mm），桁架兩側支撐混凝土柱截面形式為2 500 mm×2 500 mm空心柱（壁厚500 mm），立柱高度30 m，混凝土強度等級為C35。

計算機建模采用ANSYS軟件進行設計。提升吊點采用鋼絞線支座形式。鋼屋架整體提升計算荷載為3 070 t，荷載分項系數為1.35，風荷載考慮8級風，B類地貌[3]。屋架提升過程中風荷載通過柱頂提升支架結構傳遞給混凝土柱。先不考慮立柱支撐的水平鋼支撐。

3.2 支座反力計算

機庫大廳共有24 根混凝土立柱，現擬選用其中16 根立柱作為提升吊點。

各提升吊點采用模擬實際鋼絞線的支座形式。利用計算軟件模擬計算模型實際提升過程中鋼絞線根數對反力的影響，支座反力統計的工況即為結構自重工況[4]。選取幾個反力較大的吊點作為計算依據，鋼結構屋架最大反力和位移均位于桁架部位（圖1）。

3.3 網架提升支架選型

根據網架結構形式，在柱頂設置門式鋼架，在鋼架頂端兩側對稱設置的提升油缸及鋼絞線，組成柱頂對稱提升支架。

3.4 桁架提升支架選型

桁架位于4 個空心柱之間，無法采用對稱提升支架。桁架柱在屋蓋網架自重作用下提升最大荷載約為550 t，考慮桁架自重較大，常規的懸挑支架對結構立柱影響較大，擬增加斜向支撐減少桁架對結構立柱偏心彎矩的影響，如圖2所示。

圖1 網架對稱提升支架立面示意

圖2 桁架提升支架立面示意

4 結構驗算

4.1 相對剛度驗算

由于本次整體提升的鋼結構屋架為桁架+網架的組合結構，兩種結構的整體剛度不同，在整體提升時，易出現兩種結構間的位移不同，并且提升過程中不同提升點之間由于相對位移高差會對計算機控制系統的整體提升產生較大影響。故首先需對各提升吊點間的相對剛度進行驗算[5]。

以發生位移的支座點的位移為橫坐標軸，以該位移下相應支座點的支座反力為縱坐標軸，做位移-荷載曲線，即為兩支座之間的相對剛度曲線。相對剛度的統計采用方法：給某一個節點一個（0 mm，5 mm）的位移，統計當此點發生位移后，周邊受影響較大的提升點，并且統計這個點相對于影響較大的點的相對剛度。統計在其余點都保持同一個水平面的情況下，保持結構安全的最大提升點位移。

現根據計算機模擬計算結果，分別截取網架、桁架內相對剛度較大的提升吊點如圖3、圖4所示。

圖3、圖4中曲線數據反映出，桁架1#網架提升吊點7a#相對剛度最大，整體提升時需以1#、2#提升吊點的載荷作為荷載控制依據[6]。

4.2 最大提升位移統計

圖3 提升點1相對于其余點相對剛度

圖4 提升點7a相對于其余點相對剛度

通過計算機模擬將所有提升吊點都調平在同一水平面上以后，統計某一提升點相對于這一水平面上的最大位移。當發生此最大位移時，必須保證結構在1.35dead+1.4live（live表示此點的最大位移）組合下承載能力滿足要求。各個提升最大位移如表1所示。

表1 各個提升點最大位移

4.3 結構立柱驗算

4.3.1 網架區域結構立柱

網架風荷載取值為Px1=28.8 kN，Py1=56.7 kN。柱子自身風荷載近似看成線荷載，風壓高度變化系數取20 m處平均風壓系數：柱子內力為2 393 kN ，x向矩為2 890 kN·m，y向彎矩為1 473 kN·m ，經驗算，網架下混凝土立柱受力屬于大偏壓。

經驗算，承載能力為：5 157 kN＞2 393 kN，彎矩承載能力為 8 625 kN·m＞2 899.6 kN·m，滿足原結構設計要求。經計算，不會出現裂縫情況。

4.3.2 桁架區域結構立柱

網架風荷載x向為28.8 kN，y向為56.7 kN。柱子自身風荷載近似看成線荷載，風壓高度變化系數取20 m處平均風壓系數，柱子內力為7 030 kN ，x向彎矩為2 687 kN·m，y向彎矩為18 547 kN·m，承載能力滿足驗算。

y向彎矩計算近似認為當受拉側鋼筋屈服時，受壓側混凝土壓碎，不考慮壓側鋼筋的作用，考慮此時的平均應力，彎矩為76 758 kN·m＞18 547 kN·m，抗彎承載力滿足。

經計算：0.052 mm＜0.2 mm不會出現y向裂縫情況。x向彎矩為85 969 kN·m＞2 687 kN·m，抗彎承載力滿足。經計算不會出現x向裂縫。

4.4 提升支架結構驗算

4.4.1 桁架柱頂提升支架結構驗算

根據設計圖幾何尺寸，利用ANSYS有限元軟件，建立桁架柱柱頂提升支架模型，物理參數為：拉壓彈性模量2.06×1011Pa、泊松比0.3、密度7.85×103kg·m3。

桁架柱在屋蓋網架自重作用下提升最大荷載約為550 t，取荷載系數為1.4，桁架柱上的設計荷載為770 t。以面荷載的形式施加在4 塊油缸墊板上，約束4 根柱子底面所有線的X、Y、Z位移。

根據計算機模型模擬計算（圖5、圖6），得出桁架柱柱頂結構的最大應力為270 MPa，出現在斜撐桿與立柱相交的個別節點上，柱頂提升支架最大結構變形為7.6 mm。

圖5 整體應力分布情況（MPa）

圖6 桁架柱柱頂結構變形分布情況（mm）

4.4.2 網架柱頂提升支架結構驗算

根據設計圖幾何尺寸，利用ANSYS有限元軟件，建立網架柱柱頂提升支架模型，物理參數為：拉壓彈性模量2.06×1011Pa、泊松比0.3、密度7.85×103kg/m3。

網架柱在屋蓋網架自重作用下每個吊點提升最大荷載約為100 t，取荷載系數為1.4，網架柱上的設計荷載 140 t。由于是柱頂兩側對稱設置提升吊點，建模時，每個柱頂模型中考慮了2 個提升點，總荷載為280 t，以面荷載的形式施加在2 塊油缸墊板上，約束4 根柱子底面所有線的x、y、z位移。

根據計算機模型模擬計算，得出周邊柱及后排柱柱頂結構的最大應力約221 MPa，出現在立柱與側面的筋板的焊縫底端的個別節點上，柱頂提升支架最大變形為2.7 mm。

4.4.3 驗算結論

從上述驗算結論可知，最大值應力都屬于局部擠壓應力，結構的最大變形也在可控范圍之內。此提升支架設計方案安全可行，可以滿足施工要求。

5 實踐效果

大修機庫工程鋼結構屋架順利進行完成了整體提升，原計劃14 h完成的整體提升任務，僅耗時12 h即將鋼結構屋架提升到設計標高，在提升過程中，所有提升支架結構未出現任何不利情況，并順利完成了提升支架部位永久桿件置換工作。提升完成后，對混凝土立柱的檢查后未發現一條結構裂縫。

經過大修機庫工程現場施工實際經驗證明，該對稱提升支架形式完全可以勝任如此高質量、大跨度桁架+網架組合結構的整體提升施工要求，永久結構立柱也未出現任何裂縫等結構損傷情況。為今后同類型工程的鋼結構屋架整體提升支架的設計、選型提供了有益參考。