大跨度鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)受力性能分析

楊勤鵬

摘要：隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，鋼桁架在部分復(fù)雜的工程項(xiàng)目中發(fā)揮著越來越重要的作用。這種建設(shè)技術(shù)以鋼材為承重主體，充分地發(fā)揮了建材的性能，同時鋼材也比較靈活可以根據(jù)項(xiàng)目的需求來調(diào)整外形。除此之外，鋼桁架的應(yīng)用還能夠減輕建筑的自重，對于投資方而言能夠有效地控制成本節(jié)約資源。基于此，筆者在文章中首先分析了大跨度鋼桁架連廊技術(shù)的應(yīng)用背景；其次，簡要的介紹了項(xiàng)目的施工流程；最后針對不同情況下的鋼桁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力性能分析，希望給建設(shè)實(shí)踐提供一些啟發(fā)和指導(dǎo)。

Abstract： With the continuous development of China's infrastructure construction， steel truss plays an increasingly important role in some complex engineering projects. This kind of construction technology uses steel as the main body of weight bearing， fully exerts the performance of building materials， and at the same time， the steel is also more flexible and can be adjusted according to the needs of the project. In addition， the application of steel truss can also reduce the weight of the building， and it can effectively control the cost-saving resources for investors. Based on this， the author firstly analyzed the application background of large-span steel truss corridor technology in the article； secondly， briefly introduced the construction process of the project； finally analyzed the stress behavior of the steel sill structure under different conditions， hoping to provide some inspiration and guidance for construction practice.

關(guān)鍵詞：大跨度鋼桁架；連廊結(jié)構(gòu)；受力分析；支座沉降

Key words： large-span steel truss；corridor structure；stress analysis；bearing settlement

中圖分類號：TU393.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0217-02

0 引言

鋼桁架結(jié)構(gòu)作為一種便捷低成本的建設(shè)手段，在橋梁、電視塔以及鞏固場所的承重結(jié)構(gòu)中有著極為廣泛的應(yīng)用。大規(guī)模的應(yīng)用也給鋼桁結(jié)構(gòu)的施工帶來了新的挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)的過程中必須要考慮到項(xiàng)目的使用需求和受力情況，保障鋼桁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與生命周期。在以往由于結(jié)構(gòu)投產(chǎn)所造成的鋼材形變以及連接工藝中的問題，導(dǎo)致項(xiàng)目失去平衡嚴(yán)重的還會威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，在大跨度鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行系統(tǒng)的受力分析能夠確保項(xiàng)目的質(zhì)量，促進(jìn)該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和推廣。

1 鋼桁架連廊技術(shù)背景

1.1 社會背景

在鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)的施工中，建設(shè)單位通常采用現(xiàn)場拼接的方式，而且涉及到大量的高空作業(yè)。在這種施工環(huán)境下，就必須以最準(zhǔn)確的前期受力分析數(shù)據(jù)作為依據(jù)，來指導(dǎo)工序按部就班的落實(shí)。同時這種高空現(xiàn)場拼接的做法，也導(dǎo)致其它分項(xiàng)必須配合給項(xiàng)目的整體施工帶來了一定的影響。部分業(yè)務(wù)能力不過硬的技術(shù)人員，在實(shí)施安裝和焊接工作時就可能出現(xiàn)紕漏，導(dǎo)致項(xiàng)目出現(xiàn)質(zhì)量問題。除此之外，在經(jīng)濟(jì)市場中投資方往往更希望項(xiàng)目能夠盡早的投產(chǎn)使用，而建設(shè)方就不得不在質(zhì)量控制與工期之前尋求一個平衡。部分項(xiàng)目為了趕進(jìn)度沒有進(jìn)行充分地前期準(zhǔn)備，使奠基和安全防護(hù)工作不到位項(xiàng)目也容易出現(xiàn)事故。而在現(xiàn)場拼接和電焊的過程中又相當(dāng)繁瑣，不僅給施工人員帶來了巨大的工作負(fù)擔(dān)，同時也使工期進(jìn)一步延長。總之，投資方與建設(shè)方之間的矛盾、短期經(jīng)濟(jì)效益與長期社會效益之間的矛盾廣泛存在，這就要求業(yè)內(nèi)嚴(yán)格的控制受力性能，確保項(xiàng)目的建設(shè)落實(shí)。

1.2 工程現(xiàn)狀

自改革開放以來，我國的建筑建設(shè)項(xiàng)目在全國各地都出現(xiàn)井噴式的增長趨勢，同時新技術(shù)和新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)也給現(xiàn)代化建設(shè)提供了有力的支持。在以往的建設(shè)項(xiàng)目中，由于受到技術(shù)和設(shè)備的限制大量的使用人工勞動力。這就使一些大項(xiàng)目建設(shè)步履維艱，而且人工施工在效率上也比較慢無法滿足社會高速發(fā)展的需求。經(jīng)過近些年的發(fā)展，我國的建設(shè)技術(shù)和項(xiàng)目管理水平已經(jīng)位居世界前列，即使在一些數(shù)千噸的鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)中，也能應(yīng)用大機(jī)器設(shè)備進(jìn)行施工。在項(xiàng)目建設(shè)之處，施工人員先預(yù)埋好相應(yīng)的支撐設(shè)施來分解應(yīng)力，通過澆筑混凝土的辦法來提高項(xiàng)目主體的承重能力。當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)時，再按照建設(shè)計(jì)劃進(jìn)行拼接，保證項(xiàng)目建設(shè)的安全。由此可見，在鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)的施工過程中無處不需要考量結(jié)構(gòu)的自重受力與負(fù)重受力，通過保持結(jié)構(gòu)內(nèi)力的平衡來實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的穩(wěn)固。

2 施工流程

2.1 埋件設(shè)置

在具體的項(xiàng)目建設(shè)中，鋼桁架首先要在廠區(qū)進(jìn)行預(yù)拼接，給現(xiàn)場的拼接打好基礎(chǔ)并檢查可能存在的施工問題。然后開始著手施工點(diǎn)的埋件預(yù)設(shè)，當(dāng)準(zhǔn)備工作完畢之后才能進(jìn)行現(xiàn)場的拼接。最后再根據(jù)大跨度鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)的主次關(guān)系，通常依照由下至上以及由中樞向四周的順序有條不紊地進(jìn)行組裝。其中埋件設(shè)置時現(xiàn)場施工的基礎(chǔ)項(xiàng)目，施工人員需要對項(xiàng)目的具體情況進(jìn)行調(diào)查。根據(jù)拼接平臺的尺寸以及鋼桁架所造成的單位面積荷載力，來計(jì)算出所需的支撐胎架，并利用數(shù)據(jù)反饋出支架的數(shù)量及選點(diǎn)位置。在進(jìn)行拼接時施工人員先澆筑混凝土承重柱作為胎架的放置點(diǎn)，同時在鋼桁架連廊機(jī)構(gòu)的主干梁上用大量的弦桿進(jìn)行焊接。通過垂直方向以及斜向的受力分解，就能實(shí)現(xiàn)對鋼桁架的負(fù)重支撐，保障項(xiàng)目能夠安全穩(wěn)定的建設(shè)。

2.2 支撐胎架設(shè)置

支撐胎架設(shè)置也是鋼桁架連廊拼接技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，主要針對自重應(yīng)力的分?jǐn)偤颓捌陬A(yù)埋項(xiàng)目的拆除工作。首先，建設(shè)單位在進(jìn)行混凝土澆筑之后，在鋼桁架結(jié)構(gòu)的主體部位先進(jìn)行主軸鋼架的拼接。在這個過程中混凝土已基本凝固，相應(yīng)的前期準(zhǔn)備設(shè)施則可以陸續(xù)拆除離場，給現(xiàn)場施工提供一個更加寬松有序的環(huán)境。在主軸鋼桁架固定之后，借助于汽車吊等機(jī)械設(shè)備將其它部位的鋼結(jié)構(gòu)按照項(xiàng)目建設(shè)方案一步步落實(shí)。在支撐胎架的設(shè)置與澆筑過程中，施工人員還需要確保項(xiàng)目建設(shè)的質(zhì)量。通常技術(shù)人員會使用平衡儀來檢測鋼桁架的水平位置，而且在相關(guān)設(shè)備的檢測下也能夠找到鋼桁架整體結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)，給現(xiàn)場安裝拼接進(jìn)行定位。最后值得一提的是，在設(shè)置支撐胎架時技術(shù)人員還應(yīng)該進(jìn)行復(fù)核，保障實(shí)際建設(shè)與項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案保持一致。在安裝焊接的過程中也需要細(xì)致入微，避免漏焊和后期裂縫事故的出現(xiàn)，從而提高支撐胎架的穩(wěn)定性。

3 鋼桁架結(jié)構(gòu)選型及分析

3.1 鋼桁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)在拼裝上比較靈活但決不意味著可以自由發(fā)揮，具體的施工步驟與外形設(shè)計(jì)都會影響到整體的受力以及后期的外應(yīng)力負(fù)荷。尤其是在大跨度鋼桁架機(jī)構(gòu)項(xiàng)目中，更應(yīng)該對現(xiàn)場進(jìn)行評估最終來合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的外形和內(nèi)部分支。比如在部分項(xiàng)目的建設(shè)中，為了減少鋼桁機(jī)構(gòu)中的腹桿，并且簡化施工難度。就會采用一些復(fù)雜的多邊形結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部連接中依靠腹桿和上下弦來穩(wěn)固，也能起到不錯的效果。但是由于其多邊形的結(jié)構(gòu)使桿件的分布呈現(xiàn)出不對稱的現(xiàn)象，這就會使桿端彎矩值超出建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，甚或會對項(xiàng)目的整體質(zhì)量造成影響。可見，在項(xiàng)目建設(shè)中內(nèi)力分析必須要考慮到工程的具體概況，兩者相互影響同時相互促進(jìn)。在建設(shè)過程中技術(shù)人員可以借助于專業(yè)的軟件來創(chuàng)建物理環(huán)境，將材料屬性以及梁單元截面整合成有限元模型。利用數(shù)形結(jié)合的方式，定義出值域的便捷范圍從而給項(xiàng)目的建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 大跨度結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

大跨度鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)與普通鋼桁架結(jié)構(gòu)有所不同，在建設(shè)中通常會采用斜桿的結(jié)構(gòu)來起支撐作用。因此其內(nèi)力分析的有限于模型也呈現(xiàn)出特別之處，施工人員根據(jù)斜腹桿的延伸情況來進(jìn)行數(shù)據(jù)的搜集，并建立起外形不同的大跨度鋼桁架模型。經(jīng)過內(nèi)部的受力比較，斜腹桿在鋼桁架結(jié)構(gòu)中能夠有效地降低弦桿的彎矩值，對于縮小鋼桁架的跨度有著重要的意義。除此之外，在鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)中還應(yīng)該對軸力值進(jìn)行檢測，對比不同模型軸力的大小來預(yù)測其變化趨勢。經(jīng)過多年來項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，斜腹桿的傾斜度越靠近支撐柱其軸力值就越小，相反鋼桁結(jié)構(gòu)的自重受力就越分散，保證了項(xiàng)目的自重穩(wěn)定。因此，在大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)的施工中盡可能地將斜腹桿向支撐柱拉伸，以此來控制項(xiàng)目的整體跨度。同時在這種結(jié)構(gòu)下，弦桿與腹桿所受到的軸力值也相對較小，對延長項(xiàng)目生命周期和穩(wěn)定性發(fā)揮著重要的作用。

4 支座沉降內(nèi)力分析

4.1 支座附加力分析

在項(xiàng)目投產(chǎn)使用之后，鋼桁架機(jī)構(gòu)不僅受到工程自重應(yīng)力的負(fù)荷，同時也可能受到外力的附加重量，這就給項(xiàng)目的支座沉降帶來了不確定因素。施工人員可以根據(jù)項(xiàng)目的建設(shè)情況繪制出大致的受力分析圖，根據(jù)物理力學(xué)原理來進(jìn)行計(jì)算。考慮到項(xiàng)目支座在沉降過程中支點(diǎn)各部分的受力情況幾乎相同，那么他們的速度也趨近于勻速。因此技術(shù)人員可以將其看做受力平衡狀態(tài)，故懸臂梁自重可以忽略不計(jì)，只需要計(jì)算梁支座位移的沉降差。借助于卡氏第二定理，首先推測出懸臂梁在整體結(jié)構(gòu)中的受力和位移情況，同時對鋼桁架結(jié)構(gòu)的截面進(jìn)行測量，然后帶入公式中得出具體的數(shù)值。

4.2 鋼桁架內(nèi)力分析

鋼桁架受到支座沉降的影響，其內(nèi)部的受力情況也會發(fā)生相應(yīng)的變化。在行業(yè)內(nèi)普遍適用的是《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)項(xiàng)目的沉降量在2m左右時就能令沉降差Δ=1m來展開分析。通過有限元模型的建立，我們可知在支座沉降的情況上下弦桿的彎矩值、軸力值都會呈現(xiàn)出較大的差異，這樣一來就給鋼桁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性埋下了安全的隱患。因此，在項(xiàng)目的建設(shè)之初應(yīng)該對地基進(jìn)行預(yù)處理，來控制后期的沉降范圍。通常在行業(yè)內(nèi)會采用堆載預(yù)壓的方式以及挖空換填法來穩(wěn)固地基，減少或者杜絕沉降的發(fā)生。同時也需要利用精密的計(jì)算手段和先進(jìn)的施工工藝，在后期支座沉降不可避免的情況下能夠精確的計(jì)算出附加內(nèi)力值，給項(xiàng)目建設(shè)提供指導(dǎo)。

5 結(jié)論

經(jīng)過對大跨度鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究，根據(jù)施工流程以及外觀設(shè)計(jì)來建立了受力分析模型。筆者在文章中主要針對鋼桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以及支座沉降情況下的附加力變化，計(jì)算出弦桿彎矩值和軸力值的大小，以此來完善和改進(jìn)現(xiàn)階段的施工工藝。經(jīng)過對模型的分析得出，在中短跨度的鋼桁架結(jié)構(gòu)中，采用不等節(jié)間空鋼桁架能夠減少軸力值令項(xiàng)目結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。其次，在建設(shè)中鋼桁架兩端的斜腹桿也應(yīng)該盡量的向支柱延伸，來降低彎矩值從而控制項(xiàng)目的跨度。最后，在考慮到支座沉降的影響下，施工人員也需要對關(guān)鍵部位的桿件進(jìn)行應(yīng)力檢測，以防止主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋超，張俊延，周志健.大跨度多層鋼桁架拼裝技術(shù)研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)（上月刊），2016（11）：426.

[2]王曉東.高層建筑大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2014（12）：25-27.

[3]張昭一，王元清，高陽，等.支座沉降對拱殼雜交鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，28（11）：1-4.

[4]唐興榮，蔣永生，丁大鈞，等.新型鋼筋混凝土空腹桁架的結(jié)構(gòu)分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，26（6B）：94-96.