大跨度空間鋼結構施工過程模擬及監測

汪永平

大跨度空間鋼結構施工過程模擬及監測

汪永平

Da kua du kong jian gang jie gou shi gong guo cheng mo ni ji jian ce

隨著科學技術的日益快速發展，為了滿足人們對結構越來越高的要求，先后出現了各種大規模和復雜形式的大跨度空間鋼結構。大跨度空間鋼結構具有受力性能良好、建筑優美和跨越能力大等優點，具有良好的經濟性、安全性和實用性。隨著近年來高鐵項目的規模建設，一些具有跨度大、高度高、面積大和結構復雜的高鐵站房鋼桁架結構屋蓋系統相繼建成。大跨度空間鋼結構的施工過程模擬實際上就是按照特定的安裝工況，計算結構在建造過程中的內力和變形，為施工過程的合理性提供理論依據。本文以蕪湖市高鐵站房鋼桁架屋蓋系統實際工程為例，采用有限元分析軟件ANSYS對其進行全過程模擬分析，為合理施工以及其后的實時監測提供依據。

一、工程概況

蕪湖高鐵站位于蕪湖市中心，采用上進下出似飛機場的下客運輸模式。蕪湖高鐵站站房面積約5萬平方米，東西長約268米，是皖南地區最大的高鐵車站。蕪湖高鐵站鋼桁架屋蓋系統總長度255.7米，寬度128米至165米，水平投影總面積為39000平方米。其主桁架最大單跨達63米，大部分的桁架截面型式為倒三角，即采用兩根上弦桿和一根下弦桿、三面設置腹桿組成三角形截面的空間桁架結構。整體屋蓋系統不設置變形縫。

蕪湖高鐵站整體設計大氣磅礴，造型之中既有現代動感的線條，也有徽州古民居的寫意與凝重，體現蕪湖開放、包容、創新的城市品質。蕪湖高鐵站的建筑效果和結構布置如圖1所示。

圖1 蕪湖市高鐵站站房

蕪湖高鐵站房總體施工思路：根據蕪湖高鐵站結構特點和施工關鍵點，在施工圖深化中將桁架作為吊裝單元，分解為能夠運輸、方便對接的分段；在工廠拼裝單元分段；現場將分段組裝成吊裝單元（局部采用現場原位拼裝）、采用大型履帶吊將單元吊裝就位。施工現場采用型鋼胎架作為吊裝單元的支撐，待屋蓋結構安裝完成后整體同步卸載。

二、蕪湖高鐵站鋼桁架屋蓋系統施工過程有限元分析

1.大跨度空間結構考慮施工工況的計算方法及步驟

假設某大跨度結構可以分成n個單元，分別由1，2，3，…，n個步驟完成施工。在大跨度結構的施工步驟中，其有限元基本計算方程和內力計算方程為：

施工第一子步：K1U1=P1 （2-1）

施工第二子步：（K1+K2） U2=P2 （2-3）

N2=k2A2U2 （2-4）

施工第n子步: （K1+K2+…+Kn） Un=Pn （2-5）Nn=knAnUn （2-6）

以上的式中：Ki表示施工步中第i個單元塊結構的總剛度矩陣；ki表示施工步中不完整結構的桿單元剛度矩陣；Ui表示施工步中不完整結構的位移向量；Pi表示施工步中第i個單元塊結構的節點力向量；Ai表示施工步中不完整結構的幾何矩陣；Ni表示施工步中不完整結構桿件的內力向量。

結構的最終位移為：

式中：U表示節點位移向量；N表示結構桿件內力向量。

傳統的設計方法中有限元基本計算方程和內力計算方程為：

式中：K表示整體結構總剛度矩陣；k表示桿單元剛度矩陣；P表示整體結構的節點向量；A表示整體結構的幾何矩陣。

由以上分析可知，考慮施工過程的設計和計算方法與傳統的方法相比較，其更加符合實際，取得的結果更加準確。不僅可以得到總的狀態變量，還可以提取任意施工步驟下的內力、變形等狀態變量。

2.模型建立

根據新建蕪湖高鐵站鋼桁架結構特點，采用有限元分析軟件ANSYS中的LINK180單元來模擬鋼桁架結構桿件單元；用BEAM188單元來模擬支撐柱結構。計算模型整體坐標系的X軸與圖紙距離H軸7.75m的軸線重合（+X從7軸到1軸），整體坐標系的Y軸位于圖紙7軸與8軸正中（+Y從H軸線到A軸線），整體坐標系的Z軸沿豎直方向（+Z從下到上），坐標原點位于±0.000處。

蕪湖高鐵站房屋蓋系統整個模型共有BEAM188單元86個，LINK180單元17476個。模型的建立基本依據圖紙的要求，桁架桿件單元按照實際尺寸進行建模，對相關的桿件尺寸進行統一處理。桁架架設時依據圖紙依次設置，運用單元特性進行網格劃分，然后進行加載與后處理。蕪湖高鐵站鋼桁架屋蓋系統整體有限元模型如圖2所示。

圖2 蕪湖高鐵站房屋蓋系統整體有限元模型

3.施工過程模擬

由于蕪湖市高鐵站房是在原蕪湖火車站舊址上新建的，所以鋼桁架屋蓋施工方案是先建成原火車站一側的主體結構后，再在火車站舊址上修建另一半對稱結構。本次施工模擬取屋蓋系統的一半結構為研究對象（H軸至Q軸），如圖3所示。

圖3 蕪湖高鐵站對稱結構

根據屋蓋系統實際的施工順序，將結構的施工模擬過程分為六個工況，具體工況介紹如下：

工況1：橫向H軸的鋼桁架ZWJ5、J軸的鋼桁架ZWJ6以及介于H軸和J軸之間的鋼桁架CWJ13、CWJ14和CWJ15的施工；縱向1軸的鋼桁架BWJ5、4軸的鋼桁架JWJ13和5軸的鋼桁架JWJ5的施工。

工況2：橫向K軸的鋼桁架ZWJ12、ZWJ10和ZWJ7的施工；縱向1軸的鋼桁架BWJ6、4軸的鋼桁架JWJ14和5軸的鋼桁架JWJ6的施工。

工況3：橫向L軸的鋼桁架ZWJ8以及介于K軸和L軸之間的鋼桁架CWJ16、CWJ17和CWJ18的施工；縱向1軸的鋼桁架BWJ7、4軸的鋼桁架JWJ15和5軸的鋼桁架JWJ7的施工。

工況4：橫向N軸的鋼桁架CWJ4a、CWJ5a和CWJ6a以及介于N軸和L軸之間M軸的鋼桁架CWJ7a、CWJ8a和CWJ9a的施工；縱向1軸的鋼桁架BWJ8、4軸的鋼桁架JWJ16和5軸的鋼桁架JWJ8的施工。

工況5：橫向Q軸的鋼桁架ZWJ1a以及介于N軸和Q軸之間P軸的鋼桁架CWJ1a、CWJ2a和CWJ3a的施工；縱向1軸的鋼桁架BWJ8、4軸的鋼桁架JWJ16和5軸的鋼桁架JWJ8的施工，2軸鋼桁架XWJ1a、XWJ2a和XWJ3a，7軸的鋼桁架XWJ4a和XWJ5a的施工。

工況6：卸載階段。當主體結構全部完成后，拆除胎架。

屋蓋系統在上述六個工況下結構的應力和位移分別如圖4和圖5所示。

圖5 結構位移圖

通過以上的分析，可以獲得屋蓋系統在六個施工工況下的最大變形值和最大應力值，如表1所示。

表1 鋼桁架屋蓋系統在六種工況下的最大位移值和應力值

計算結果表明，鋼桁架屋蓋系統的主要受力構件施工過程中應力水平較低。局部桿件的最大壓應力為120.7MPa，其出現在7軸的鋼桁架XWJ4a和XWJ5a的施工網格梁上，對應的是工況6。在工況6對應的卸載階段，隨著承重支架的逐漸減少，鋼桁架梁的撓度在逐漸增大，最大的豎向變形值為59mm，約為相應跨度的1/2800，位于4軸的鋼桁架JWJ16和Q軸的鋼桁架XWJ4a交點附近。計算結果滿足設計和施工要求。

4．施工監測

為了驗證數值模擬分析結果的準確性，選取鋼桁架屋蓋系統結構若干主要受力構件的應力觀測點。實測每個工況下觀測點的應力值，然后與數值模擬的結果進行比較分析。

由上面施工過程分析中的數值模擬結果結合設計單位的建議，在主桁架梁ZWJ5和ZWJ6上布置兩個應變監測點、次桁架梁CWJ13和CWJ14上布置兩個應變監測點，進行應力測試。采用電阻應變片以及靜態應變儀等設備進行數據的采集。本次實驗采用的是由江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH3816N靜態應變測試儀，其是全智能化的巡回數據采集系統。

施工現場應變監測點的位置以及應變片的布置形式分別如圖6和圖7所示。

圖6 應變監測點

圖7 應變片布置形式

為了較好的掌握鋼結構關鍵部位在施工階段的受力情況，在施工階段的各個工況中，對主要受力構件的應力數值模擬計算結果與實測數據進行比較分析。分析結論如

下：

（1）主桁架梁ZWJ5和ZWJ6上的應變監測點：

主桁架梁應變監測點在各個工況下應力的模擬值與監測值如表2所示。

表2 主桁架梁應變監測點在各個工況下應力的模擬值與監測值

主桁架梁應力監測點各工況應力實測值與模擬值分析結果的對比曲線如圖8所示。

圖8 各工況應力實測值與模擬值曲線圖（主桁架梁）

（2）次桁架梁CWJ13和CWJ14上的應變監測點：

次桁架梁應變監測點在各個工況下應力的模擬值與監測值如表3所示。

表3 次桁架梁應變監測點在各個工況下應力的模擬值與監測值

次桁架梁應力監測點各工況應力實測值與模擬值分析結果的對比曲線如圖9所示。

圖9 各工況應力實測值與模擬值曲線圖（次桁架梁）

由表2、表3、圖8和圖9可以得出：

①鋼桁架ZWJ5、ZWJ6、CWJ13和CWJ14的應力值在工況6以前（胎架支撐拆除前）的變化比較緩慢。在胎架支撐拆除后應力出現陡降，說明鋼桁架ZWJ5、ZWJ6、CWJ13和CWJ14在整個屋蓋系統中承受較大的作用力，對結構的安全性和整體穩定性起著重要的作用。

②各個工況應力實測值和模擬值具有一定的偏差，且誤差都在10%以內（主桁架為5.9%，次桁架為7.2%），證明本文的施工模擬分析是可行的。在施工過程中，不能忽視施工過程中的“路徑”和“時間”效應。

③各工況應力實測值和模擬值的總體變化趨勢基本相同，工況6中的實測值與模擬值非常接近，說明施工過程模擬對實際工程施工具有一定的參考價值。

三、結語

本文針對蕪湖市高鐵站鋼桁架屋蓋系統大跨度空間鋼桁架結構，利用ANSYS有限元建立鋼結構施工過程模型，將各個工況下的實測值和模擬值進行比較分析。施工現場的實時監測值和模擬分析值計算結果吻合良好，均滿足鋼結構設計規范的要求。施工過程分析結果表明采用有限元的方法對大跨度空間鋼結構進行施工全過程模擬分析是可行的，為本項目后期施工及其它大型復雜鋼結構的施工提供了參考。

（作者單位：寧安鐵路有限責任公司）