大跨正交空間管桁架提升施工分析

陳文杰

摘 要：長白山站高鐵站房屋蓋結(jié)構(gòu)形式為為正交空間管桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)提升分為兩個提升區(qū)，擬采用樓面原位拼裝，再利用液壓系統(tǒng)進行同步整體提升的施工方案。為確保在提升過程中各處結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，采用有限元分析軟件MIDAS對結(jié)構(gòu)分區(qū)進行建模分析，結(jié)果表明：在各區(qū)的關(guān)鍵施工過程工況的計算中，結(jié)構(gòu)各處位移變形、應(yīng)力、反力均滿足設(shè)計要求。分析過程嚴謹，計算結(jié)果具有較高精確性，為同類工程的分析研究提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：空間管桁架;整體提升;有限元法

中圖分類號：TU393.3 文獻標識碼：A

Abstract： the structure of high-speed railway station house cover of Changbaishan station is orthogonal space pipe truss structure， and the structure lifting is divided into two lifting areas. It is proposed to adopt the construction scheme that the floor is assembled in situ， and then the hydraulic system is used for synchronous overall lifting. In order to ensure the safety and stability of the structure in the lifting process， the finite element analysis software MIDAS is used to model and analyze the structural zones. The results show that the displacement， deformation， stress and reaction of the structure meet the design requirements in the calculation of the key construction process conditions of each zone. The analysis process is rigorous and the calculation results are highly accurate， which provides a reference for the analysis and research of similar projects.

Key words： space pipe truss; Overall improvement; Finite element method

1? 引言

隨著近些年來我國對公共建筑要求的不斷提高，使得（大跨度）空間結(jié)構(gòu)受到廣泛青睞，一些以火車站、機場、體育館等為代表的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑迅速在各大城市落地。但由于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)工程在提升及拼接過程中的施工難度和復(fù)雜特性，也促使越來越多針對此類工程的研究，如陳明、孫佳佳[1]針對哈爾濱某滑雪場大跨度管桁架屋蓋提升施工中的問題，采用多尺度有限元法，研究了施工過程中各桿件及吊點的受力性能;盧來運[2]等對大跨度雙層穹頂網(wǎng)架高空拼接施工方法進行了探究;趙海燕[3]依托天水體育場空間管桁架吊裝拼接的實際工程，利用MIDAS有限元分析結(jié)合現(xiàn)場實際動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測，研究并評估了結(jié)構(gòu)施工過程的安全性;王濤[4]運用有限元軟件對某機庫鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋蓋整體提升工程進行不同步工況及提升點失效工況模擬分析，歸納提出了大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提升點布置的影響因素;楊賀龍[5]針對某大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工技術(shù)難題，研究并采用了復(fù)雜異形曲面鋼結(jié)構(gòu)連廊動態(tài)液壓整體提升關(guān)鍵技術(shù)，保證了整體結(jié)構(gòu)在提升施工中的安全性。

大跨正交空間管桁架結(jié)構(gòu)由于其較大的跨度及新穎的結(jié)構(gòu)形式在提升施工工程中存在較多困難，易于出現(xiàn)安全問題，在整個提升施工過程中，整體結(jié)構(gòu)要經(jīng)歷許多次應(yīng)力重分布，甚至會在某處出現(xiàn)拉壓轉(zhuǎn)換的情況，因此對大跨度空間結(jié)構(gòu)施工過程進行模擬分析和施工監(jiān)控是必要的[6-8]，鑒于前人對正交管桁架提升施工研究尚淺，擬對其進行分析探究。

2? 工程概況

長白山高鐵站位于吉林省安圖縣，建筑高度32.6m，總建筑面積為29998 ㎡，站房鋼結(jié)構(gòu)主要包括高架站房、線側(cè)站房鋼結(jié)構(gòu)。站房采用正交空間管桁架結(jié)構(gòu)體系鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，此部分鋼結(jié)構(gòu)最大安裝標高為+30.3m。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置特點、現(xiàn)場安裝條件以及提升工藝的要求，鋼結(jié)構(gòu)提升范圍為結(jié)構(gòu)的1-2～1-5軸線×1-A～1-G軸線和1-1～1-6軸線×2-D～1-A軸線之間，結(jié)構(gòu)最大跨度為60m，主桁架最薄處厚度為2.5m，最厚處厚度為4.7m，提升高度約為16.1m，分兩個提升區(qū)施工，一區(qū)提升重量約為503t、二區(qū)提升重量約為700t，桁架和附屬結(jié)構(gòu)（檁條、馬道）提升總重量為1203t。結(jié)構(gòu)平、立面布置圖如圖1。

鋼桁架提升一區(qū)整體提升，范圍在軸線1-2～1-5×軸線1-D～1-G之間;提升二區(qū)累積提升，提升二A區(qū)范圍在軸線1-2～1-5×軸線1-A～1-C之間，提升二B區(qū)范圍在軸線1-2～1-5×軸線2-D～2-F之間。提升范圍如下圖2。

3? 方案思路

本工程中，由于桁架結(jié)構(gòu)的最大安裝標高為+30.3m，若采用分件高空散裝，不但高空組裝、焊接工作量大、現(xiàn)場機械設(shè)備很難滿足吊裝要求，而且所需高空組拼胎架難以搭設(shè)，存在很大的安全、質(zhì)量風險。施工的難度大，不利于鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝的安全、質(zhì)量以及工期的控制。

根據(jù)以往類似工程的成功經(jīng)驗，若將結(jié)構(gòu)在安裝位置的正下方地面上拼裝成整體后，利用“超大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù)”將其整體提升到位，將大大降低安裝施工難度，于質(zhì)量、安全、工期和施工成本控制等均有利。具體來說即鋼結(jié)構(gòu)提升單元在其投影面正下方的地面上拼裝為整體，同時，在桁架結(jié)構(gòu)上弦層（標高+28.774m）處，利用桁架上弦和鋼柱設(shè)置提升平臺（上吊點），在鋼結(jié)構(gòu)提升單元的下弦層桿件與上吊點對應(yīng)位置處安裝提升臨時吊具和臨時管（下吊點），上下吊點間通過專用底錨和專用鋼絞線連接。利用液壓同步提升系統(tǒng)將鋼結(jié)構(gòu)整體提升至設(shè)計安裝位置，并與預(yù)裝段牛腿等連接，完成安裝。

4? 超大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù)

4.1技術(shù)優(yōu)點

本工程中鋼結(jié)構(gòu)采用整體液壓同步提升技術(shù)進行吊裝，具有如下優(yōu)點：

1）鋼結(jié)構(gòu)主要的拼裝、焊接及油漆等工作在地面進行，可用汽車吊進行散件吊裝，施工效率高，施工質(zhì)量易于保證。

2）鋼結(jié)構(gòu)的附屬次結(jié)構(gòu)件等可在地面安裝或帶上，可最大限度地減少高空吊裝工作量，縮短安裝施工周期。

3）提升上下吊點等主要臨時結(jié)構(gòu)利用自身結(jié)構(gòu)設(shè)置，加之液壓同步提升動荷載極小的優(yōu)點，可以使提升臨時設(shè)施用量降至最小，有利于施工成本控制。

4）通過提升設(shè)備擴展組合，提升重量、跨度、面積不受限制。

5）采用柔性索具承重，只要有合理的承重吊點，提升高度與提升幅度不受限制。

6）液壓提升系統(tǒng)具有毫米級的微調(diào)功能，能實現(xiàn)空中垂直精確定位。

7）設(shè)備體積小，自重輕，承載能力大，特別適宜于在狹小空間或室內(nèi)進行大噸位構(gòu)件提升。

4.2施工工藝流程

以提升二區(qū)為例，鋼結(jié)構(gòu)提升流程如下：

鋼結(jié)構(gòu)在+8.85m的樓面上拼裝成整體提升單元，在桁架結(jié)構(gòu)上弦層利用上弦桿和鋼柱（立桿）設(shè)置提升平臺，在提升單元與上吊點對應(yīng)的位置安裝提升下吊點臨時吊具和臨時管，安裝液壓提升系統(tǒng)。

調(diào)試液壓提升系統(tǒng)，進行試提升，試提升無問題后，將提升單元整體提升至15.0m高度，暫停提升，提升單元和樓面拼裝單元對接。

試提升無問題后，將提升單元整體提升至設(shè)計安裝位置，并與預(yù)裝段牛腿等連接，完成安裝。

結(jié)構(gòu)形成整體受力后，液壓提升器卸載，拆除提升設(shè)備及臨時措施，完成桁架結(jié)構(gòu)安裝。

提升流程示意圖如圖3所示。

4.3 提升吊點設(shè)置

鋼結(jié)構(gòu)桁架一區(qū)整體提升設(shè)置12組吊點，二區(qū)第一次提升設(shè)置6組吊點，第二次提升設(shè)置14組吊點，每組吊點配置1臺YS-SJ型液壓提升器，同一時間最多14臺設(shè)備工作。提升吊點平面布置如下圖4所示。

4.4 同步吊點設(shè)置

每臺液壓提升器處各設(shè)置一套行程傳感器，用以測量提升過程中各臺液壓提升器的提升位移同步性。主控計算機根據(jù)各個傳感器的位移檢測信號及其差值，構(gòu)成“傳感器-計算機-泵源控制閥-提升器控制閥—液壓提升器-提升單元”的閉環(huán)系統(tǒng)，控制整個提升過程的同步性。

4.5提升分級加載設(shè)置

以計算機仿真計算的各提升吊點反力值為依據(jù)，對提升單元進行分級加載（試提升），各吊點處的液壓提升系統(tǒng)伸缸壓力分級增加，依次為20%、40%、60%、70%、80%;在確認各部分無異常的情況下，可繼續(xù)加載到90%、95%、100%，直至提升單元全部脫離拼裝胎架。

5? 提升工況驗算及分析

5.1 荷載與組合

1）恒荷載DL;DL為結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)（檁條、馬道）自重。

2）標準荷載組合：1.0DL。

3）基本荷載組合：1.5DL。

5.2 計算工況

根據(jù)施工方案、荷載和邊界條件，選取提升階段關(guān)鍵的施工過程作為計算工況，其計算工況對應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)如下圖5。

5.3 各工況計算結(jié)果

5.3.1 位移計算結(jié)果

使用MIDAS對各工況下結(jié)構(gòu)的豎向位移分布、應(yīng)力比分布、反力分布進行模擬，計算結(jié)果的豎向位移分布如圖6所示。

由圖6可得對于工況1來說最大的豎向位移出現(xiàn)在軸線1-E的跨中，達到了42mm，靠近各吊點的區(qū)域位移較小;對于工況2，最大位移出現(xiàn)在軸線1-B至1-C×2-11至2-12的區(qū)域內(nèi)，最大位移為39mm;工況3下可以看出在軸線1-A至1-B×1-11至1-12的區(qū)域內(nèi)均有較大位移，豎向位移最大值達到了46mm，出現(xiàn)在軸線1-A的跨中。綜合三個工況下的豎向位移最大值為46mm，兩端提升點的間距為53200mm，則變形為跨度的1/1156，滿足規(guī)范[9]1/400的要求。

5.3.2 應(yīng)力計算結(jié)果

各工況應(yīng)力比分布如圖7。

由圖7可得工況1下的最大應(yīng)力比集中在D103、D104、D105、D106四個吊點兩側(cè)的桁架上，最大值為0.78，工況2及工況3下的最大應(yīng)力比也多集中于各吊點附近的桁架中，最大值分別為0.63和0.66，綜合來看0.78即為結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比，根據(jù)規(guī)范最大應(yīng)力比應(yīng)小于1.0，故滿足規(guī)范要求。

5.3.3 反力計算結(jié)果

各工況豎向反力分布如圖8。

由圖8可得在各種工況中豎向反力較大點均在吊點處出現(xiàn)，工況1的最大值為743.55kN，在吊點D105和D106處，工況2的最大值為665.08kN，出現(xiàn)在D203和D204處，而工況3的豎向反力最大值為884.57kN，也為三個工況下的最大值，是在吊點D205和D206處。根據(jù)規(guī)范

根據(jù)上述各工況計算結(jié)果，統(tǒng)計如表1所示：

6? 結(jié)論

本文以長白山站高鐵站房正交空間管桁架結(jié)構(gòu)提升工程為依托，運用有限元軟件MIDAS對結(jié)構(gòu)提升施工過程中各點處的應(yīng)力、變形等受力狀況進行模擬分析，結(jié)果表明三個工況下的豎向位移最大值為46mm，出現(xiàn)在軸線1-A的跨中;最大應(yīng)力比為0.78，出現(xiàn)在吊點D105和D106兩側(cè)桁架中;最大豎向反力為884KN，出現(xiàn)在吊點D205和D206處。最大豎向位移、應(yīng)力比均滿足設(shè)計要求，且各吊點處均未出現(xiàn)零反力或負反力，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計及吊點設(shè)置合理。

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