大面積網(wǎng)架整體頂升施工仿真分析

□文/徐 皓 張 倩 高 璞 郭紅強(qiáng) 楊 帆

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的生產(chǎn)、生活空間不斷變大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有桿件少、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)受力合理、施工方便快捷和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，常被用于大跨度空間的屋蓋[1]。

網(wǎng)架的施工方法，從搭設(shè)滿堂腳手架的高空散裝，到分片吊裝、整體吊裝、整體提升、整體頂升等，不斷發(fā)展[2～3]。大噸位網(wǎng)架的整體頂升對(duì)施工安全有重大影響，因此有必要針對(duì)大噸位網(wǎng)架的整體頂升施工進(jìn)行全過程仿真分析[4]。

1 工程概況

某焊接球-螺栓球斜放四角錐網(wǎng)架，平面投影尺寸為84 m×100 m，網(wǎng)架高度為2.4 m，坐落于25 根支撐鋼柱上，見圖1。

圖1 網(wǎng)架平面

網(wǎng)架采用地面散拼、整體頂升的施工方式，整體頂升質(zhì)量約320 t，頂升高度9.25 m。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支撐鋼柱提前施工完畢，因此抽空鋼柱相應(yīng)位置的網(wǎng)架桿件和球節(jié)點(diǎn)，留待網(wǎng)架頂升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行嵌補(bǔ)。

2 網(wǎng)架頂升點(diǎn)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化原則

1）保證網(wǎng)架整體頂升的施工安全。

2）盡量保持結(jié)構(gòu)原有設(shè)計(jì)不變，避免或減少設(shè)計(jì)變更，實(shí)在無法滿足時(shí)，應(yīng)使需要加強(qiáng)或加固的桿件數(shù)量盡量少。

3）網(wǎng)架頂升時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形盡量較小，分布相對(duì)均勻且不應(yīng)超過設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

4）各頂升點(diǎn)的頂升反力相對(duì)均勻。

2.2 頂升方式的選擇和優(yōu)化

網(wǎng)架整體頂升常采用自鎖式液壓千斤頂作為頂升動(dòng)力，采用能夠不斷增加接長(zhǎng)的支架（包括標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)）作為頂升柱。

2.2.1 支頂部位的選擇

本工程網(wǎng)架高度為2.4 m，按3%結(jié)構(gòu)找坡。考慮到用于大噸位頂升的自鎖式液壓千斤頂?shù)某跏奸L(zhǎng)度和油缸行程通常都較大，若選擇支頂網(wǎng)架下弦球節(jié)點(diǎn)，則網(wǎng)架在散拼時(shí)必須在其下方預(yù)留液壓千斤頂及配套頂升設(shè)備的安裝空間，最大散拼高度將會(huì)超過5 m，低空作業(yè)安裝施工不便。見圖2。

因此，為盡可能減小網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的地面散拼高度，選擇支頂網(wǎng)架上弦球節(jié)點(diǎn)，將液壓千斤頂及配套頂升設(shè)備的安裝空間包含在網(wǎng)架高度范圍內(nèi)，同時(shí)按最低點(diǎn)為零層板墊層頂標(biāo)高-0.25 m進(jìn)行拼裝，見圖3。

圖2 支頂下弦球節(jié)點(diǎn)

圖3 支頂上弦球節(jié)點(diǎn)

2.2.2 頂升托梁的設(shè)置

本工程為斜放四角錐網(wǎng)架，網(wǎng)架上弦球節(jié)點(diǎn)的正下方存在下弦桿件，液壓千斤頂無法直接支頂上弦球節(jié)點(diǎn)。考慮網(wǎng)架的實(shí)際情況和施工的便利性，每個(gè)頂升柱上端設(shè)置一個(gè)十字托梁，十字托梁的每個(gè)懸挑端分別支頂一個(gè)上弦球節(jié)點(diǎn)，既可避開網(wǎng)架的下弦桿件，同時(shí)可以在一定程度上分散頂升反力。見圖4。

圖4 頂升支撐系統(tǒng)

2.3 頂升點(diǎn)位置優(yōu)化

網(wǎng)架頂升點(diǎn)的數(shù)量和位置直接影響到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在頂升過程中的安全性，因此，有必要針對(duì)網(wǎng)架的頂升點(diǎn)數(shù)量和位置進(jìn)行優(yōu)化分析。本工程由于荷載相對(duì)均勻，桿件和球節(jié)點(diǎn)的布置也相對(duì)均勻，因此，頂升點(diǎn)布置也應(yīng)該相對(duì)均勻。見圖5。

圖5 頂升點(diǎn)布置

3 網(wǎng)架整體頂升分析

3.1 荷載及工況

網(wǎng)架頂升分析的荷載條件考慮網(wǎng)架的自重和檁條重量，同時(shí)考慮頂升過程中的動(dòng)力系數(shù)以及不同步頂升產(chǎn)生的不均勻受力[5]，分別模擬網(wǎng)架的2種工況。

工況1：模擬網(wǎng)架在頂升過程及高空懸停時(shí)的受力狀態(tài)，簡(jiǎn)稱頂升工況。

工況2：模擬網(wǎng)架高空嵌補(bǔ)桿件完成后、落座結(jié)構(gòu)柱前的受力狀態(tài)，簡(jiǎn)稱嵌補(bǔ)工況。

3.2 頂升工況

不考慮壓桿穩(wěn)定時(shí)，桿件應(yīng)力水平較低，最大壓應(yīng)力僅為54.4 MPa；考慮壓桿穩(wěn)定后，桿件最大應(yīng)力為302.1 MPa，見圖6。

圖6 頂升工況分析結(jié)果

應(yīng)力比超過0.8的桿件有6根，超限桿件集中分布在頂升點(diǎn)附近的下弦桿；網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)最大撓度20.6 mm；頂升點(diǎn)最大反力為223.2 kN。

3.3 嵌補(bǔ)工況

網(wǎng)架嵌補(bǔ)工況的分析結(jié)果與頂升工況類似，但是由于嵌補(bǔ)桿件和球節(jié)點(diǎn)的加入，網(wǎng)架剛度和應(yīng)力發(fā)生重分布，應(yīng)力比超過0.8的桿件有8根。見圖7。

圖7 嵌補(bǔ)工況分析結(jié)果

因?yàn)榍堆a(bǔ)工況的8 根超限桿件與頂升工況不一致，僅包含頂升工況6根中的5根，故桿件加強(qiáng)措施應(yīng)同時(shí)考慮2種工況，加固或加強(qiáng)9根桿件。

3.4 桿件加強(qiáng)后的網(wǎng)架驗(yàn)算

經(jīng)過與原設(shè)計(jì)單位溝通，同時(shí)考慮到超限桿件數(shù)量不多以及施工方便，將上述9根超應(yīng)力桿件加大一個(gè)規(guī)格，再次進(jìn)行網(wǎng)架頂升工況和嵌補(bǔ)工況的驗(yàn)算以及原設(shè)計(jì)工況的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)核。

網(wǎng)架桿件經(jīng)過加強(qiáng)后，頂升工況時(shí)考慮壓桿穩(wěn)定的桿件最大應(yīng)力由302.1 MPa 降至237.8 MPa，嵌補(bǔ)工況時(shí)桿件最大應(yīng)力由330.5 MPa 降至243.2 MPa，其他結(jié)果與桿件加強(qiáng)前類似；網(wǎng)架經(jīng)復(fù)核滿足原設(shè)計(jì)要求[6～7]。網(wǎng)架經(jīng)過加強(qiáng)后，能夠滿足頂升施工要求。

4 網(wǎng)架支座安裝及分步卸載

4.1 網(wǎng)架支座安裝分析

網(wǎng)架頂升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，分批安裝25 個(gè)支座，安裝順序?yàn)椋?/p>

1）階段①安裝最下排5個(gè)；

2）階段②安裝最右側(cè)4個(gè)支座；

3）階段③安裝最上排4個(gè)支座；

4）階段④安裝中間9個(gè)中間支座；

5）階段⑤安裝最左側(cè)3個(gè)支座。

網(wǎng)架支座分批安裝各階段的頂升反力分析結(jié)果見圖8。

圖8 網(wǎng)架支座安裝分析

4.2 分步卸載分析

網(wǎng)架支座安裝完成后，進(jìn)行20 個(gè)頂升點(diǎn)同步卸載，千斤頂同步、穩(wěn)定、緩慢下降，卸載過程中按荷載和位移雙控制同步，直至完全卸載。

分別按照千斤頂?shù)奈灰屏?、2、3、4、5、6、7、8 mm進(jìn)行分步卸載分析。卸載過程中，各頂升反力越來越小，頂升托梁陸續(xù)與網(wǎng)架脫離而退出工作。見圖9。

圖9 分步卸載分析

5 結(jié)論及建議

1）按照網(wǎng)架整體頂升分析結(jié)果，超應(yīng)力桿件應(yīng)進(jìn)行加固或加強(qiáng)，加固或加強(qiáng)措施應(yīng)征得原設(shè)計(jì)單位認(rèn)可后方可實(shí)施，加強(qiáng)后的網(wǎng)架應(yīng)再次進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，以確保結(jié)構(gòu)安全。

2）十字形的頂升托梁需要詳細(xì)設(shè)計(jì)，使約束條件和計(jì)算模型相匹配，其構(gòu)造措施應(yīng)滿足施工要求。

3）網(wǎng)架在整體頂升過程中，20個(gè)頂升千斤頂需要按荷載和位移進(jìn)行雙重同步控制，否則可能出現(xiàn)局部頂升反力過大，網(wǎng)架受力不均勻，從而引發(fā)整體垮塌；同時(shí)在網(wǎng)架頂升過程中，由于頂升柱需要不斷增加標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，千斤頂需要不停地頂升再回落，通常來說千斤頂回落的同步控制更難，這點(diǎn)在施工過程中更加需要注意。

4）由于千斤頂?shù)撞抗潭ǘ顺袚?dān)彎矩的能力較弱，不能視為完全剛接，因此網(wǎng)架頂升過程中，需要設(shè)置可靠的側(cè)向約束或限位措施，以抵抗風(fēng)荷載及其他可能出現(xiàn)的水平荷載，防止千斤頂出現(xiàn)側(cè)向傾覆而引發(fā)網(wǎng)架整體倒塌，這點(diǎn)也需要引起注意。

5）螺栓球節(jié)點(diǎn)施工時(shí)容易出現(xiàn)“假擰緊”現(xiàn)象，施工時(shí)應(yīng)該采取可靠措施，同時(shí)進(jìn)行必要的檢測(cè)，保證網(wǎng)架桿件的可靠連接。

6）在網(wǎng)架卸載就位時(shí)，嚴(yán)格進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同步、穩(wěn)定、緩慢下降，卸載過程中按荷載和位移雙控制同步。