大跨度拱形鋼網架滑移施工全過程 仿真分析關鍵技術

張文學

中鐵建工集團有限公司 北京 100160

隨著我國經濟建設的快速發展，大跨度空間網架結構在工程中的應用越來越普遍，這種結構整體性好、剛度大、抗震性能好，廣泛應用于鐵路站房、機場、會議中心、體育場館等大型公共建筑中。由于大跨度空間網架結構成形過程一般是通過高空散裝、整體（或分條分塊）吊裝、整體（或部分）滑移、整體提升（或頂升）等施工技術從零散構件逐漸安裝形成最終結構整體的過程，在施工過程或成形后存在一定的安全風險，例如結構失去平衡而傾覆，或由于結構失去穩定而倒塌，或由于局部構件和節點強度不足而破壞，也可能成形后的結構與設計狀態相差甚遠，造成結構使用階段的安全隱患。因此，施工技術人員需要了解結構的設計狀態及結構性能，正確選擇結構成形及施工方法，確保施工安全與工程質量[1-2]。

1 工程概況

廈門站站房平面呈矩形，南北長約206 m、東西寬約145 m，設南北站房并與跨越股道的高架候車廳連接為一體，主站房建筑規模約27 581.5 m2（圖1）。站房屋蓋采用鋼網架結構，站房屋蓋整體呈拱形，拱頂最大高度31.0 m，整個屋蓋水平投影面約117 m×188 m。屋蓋采用四角錐焊接空心球網架結構，網格尺寸（4.0～4.5）m×（4.0～4.5）m。網架高度沿橫向變化，跨中高3.0 m，邊跨高2.4 m。沿縱向布置8榀V形鋼箱柱用于支承網架屋蓋，V形柱跨度67.00 m，鋼網架跨度20.23 m＋51.20 m＋20.23 m（圖2、圖3）。

圖1 廈門站工程效果圖

圖2 站房鋼網架三維透視圖

圖3 站房鋼網架斷面

2 施工難、重點分析

1）站房屋蓋安裝區域面積大、安裝場地有限，鐵路股道施工期間需要轉線，采取分區累積滑移施工，施工組織及安裝精度上有一定難度。

2）大跨度拱形網架滑移施工存在水平力釋放情況，拱結構受力與設計狀態不盡一致，如何控制拱結構桿件施工過程及成形后內力的變化，確保施工安全與質量是施工控制重點。

3 施工總體部署

網架高空滑移總體思路如下：網架屋蓋以F軸為分界線，劃分為南、北2個滑移施工區域，如圖4所示；對南、北兩區網架進行分段，作為累積滑移施工的滑移單元，北區分段如圖5所示，南區分段如圖6所示；對南、北區分段網架進一步進行分塊，作為地面拼裝最小構件單元，最后在高空施工平臺進行分段拼裝；利用縱向V形柱＋臨時支撐作為滑移軌道支撐柱，設置4條滑移軌道，滑移軌道及支撐布置如圖7、圖8所示；分區進行累計滑移施工，兩區合龍部位采用散吊桿件安裝。最終合成結構整體，檢驗合格后進行卸載。

圖4 站房鋼網架分區示意

圖5 北區網架分段區示意

圖6 南區網架分段區示意

圖7 滑移軌道及支撐布置示意

圖8 滑移軌道及支撐布置軸測示意

4 施工關鍵技術

4.1 施工全過程仿真分析原理

鋼屋蓋為正交正方四角錐曲面網架結構，矢高9.8 m，跨度91.6 m（外側支座跨度），結構上部分存在拱的受力特性，與常規平面網架受力有所不同，需對網架結構和V形柱的受力機理做深入分析研究。

由于滑移工況與設計工況的加載形式不同，施工階段會影響網架的應力，因此需要對整體結構做施工全過程仿真分析。首先模擬施工階段拱形網架在自重荷載作用下，在滑移支座支撐（簡支約束狀態）工況下的應力變形分布，其次模擬V形柱與網架支座連接后，除自重荷載外其他設計荷載加載工況下的應力變形分布。真實反映施工殘余應力與設計應力疊加作用。

如圖9受力分析，網架在自重（包括屋面附屬結構）工況下，由于拱效應作用，網架支座會產生水平反力Fa，此反力由V形柱提供，柱頂水平荷載Pa＝Fa，形成了V形柱和網架共同受力的結構模式。

實際上采用滑移施工時，臨時滑靴側向基本沒有約束，無法對網架提供水平橫向約束。在網架自重工況下，如圖10，支座水平反力Fa＝0，支座產生了橫向變形Xa，此時拱效應無法形成，網架跨中網架受力增大。V形柱頂水平反力消失，由于V形柱傾斜受力，在網架支座反力Na的作用下，V形柱彎矩大于圖9中設計狀態Na、Pa共同作用下的彎矩。

圖9 網架V形柱設計狀態整體受力分析

圖10 滑移施工V形柱受力分析

4.2 施工全過程仿真分析

對比滑移施工工況和設計共同受力工況，滑移工況下的網架跨中彎矩增加，跨中桿件應力增加，網架下撓增大，V形柱彎矩增加。因此，需要對網架做整體施工全過程進行模擬分析，分階段加載，首先模擬網架部分在自重荷載下，在滑移支座支撐（簡支約束狀態）工況下的應力變形分布，再模擬V形柱與網架支座連接后，除自重荷載外其他荷載加載工況下的應力變形分布。根據屋蓋網架累積滑移施工順序，對下部混凝土框架、V形柱、屋蓋網架整體建模，分3個施工階段，進行施工全過程模擬以校核屋蓋結構（包括V形柱）滑移法施工成形后疊加設計使用狀態下的滑移結構自重外的載荷，對超限桿件予以替換。具體如下：

第一施工階段：按累積滑移施工順序，分析屋蓋網架在臨時滑靴豎向支撐下的受力。累積滑移施工步驟較多，圖11為第一階段累積滑移施工4個過程截圖。

圖11 第一階段累積滑移施工過程

第二施工階段：網架支座滑移至V形柱頂，支座橫向無約束。模型中設置短柱來模擬滑靴特性（圖12），短柱橫向的抗剪剛度設置一個很小的略大于0的數值。此模型中，V形柱只承受滑移支座傳遞的豎向反力，橫向水平力為零。網架滑靴橫向變形17 mm，V形柱頂－33 mm，兩者的橫向變形值不同，相差50 mm，變形方向也符合前文的受力分析結果（圖13、圖14）。

圖12 模型模擬桿件示意

圖13 網架滑靴變形示意

圖14 V形柱頂變形示意

第三施工階段：V形柱連接段連接V形柱和網架支座焊接球，刪除滑靴短柱。此時，網架支座橫向變形已經完成，與V形柱焊接固定，完成原設計連接方式（圖15）。

圖15 網架與V形柱固定變形示意

第四施工階段：加載屋面、吊頂、風載等載荷，輸入地震荷載，并輸入相關組合，驗算校核網架桿件的應力比，網架的下弦桿件應力比增加較明顯，部分桿件超出許用應力比，桿件的應力比最大值約1.10，經設計審核確認，置換桿件數量96根，約占網架桿件總數的0.89%。V形柱的最大應力比為0.865，滿足設計限值要求。

4.3 網架滑移計算

4.3.1 滑移施工起動推力計算

網架累積滑移采用常用的計算機控制，液壓頂推的方式，滑動摩擦最大起動推力F=μ×G。式中：μ為滑動摩擦因數，根據以往工程經驗，滑動摩擦因數取0.2；G為滑移網架自重。根據施工總部署，將網架屋蓋劃分為南、北2個滑移施工區，滑移北區需要的水平推力最大。北區網架自重約為1 500 t（含檁條、馬道、天窗），水平推力F北= 0.2×1 500 t=300 t，布置6臺100 t油缸，總計頂推力600 t，滿足要求。

4.3.2 滑移支座設計及受力計算

網架結構通過滑移臨時支座支承在軌道上，支座側向擋塊與軌道邊緣距離為30 mm，由施工過程仿真結果可知，滑移工況下，滑移支座最大的水平位移不超過21 mm，因此軌道擋塊與軌道邊緣的距離，能夠保證結構在滑移施工中水平力得以釋放，不會對軌道及支撐系統上產生過大的側向水平推力。同時，為了防止滑移支座與滑移軌道發生“卡啃”現象，在滑移支座底板滑移前端進行倒圓角，本工程倒圓角值為R15 mm。

根據網架第一階段的仿真受力分析，網架卸載位置最大支點位于B2，支點反力80 t，對B2節點進行有限元分析，應力結果如圖16所示，變形結果如圖17所示。

圖16 B2節點應力截圖

圖17 B2節點變形圖

通過分析，B2節點卸載牛腿除個別應力集中外，其余各單元應力在200 MPa以下，最大變形為0.4 mm，支點處變形為0.3 mm左右，滿足卸載要求。

4.4 網架滑移變形控制

該工程網架屋蓋實行分區分段累計滑移，如何保證后續拼裝單元與前面的滑移單元進行有效對接，成為此工程網架滑移變形控制的關鍵。

按常規累積滑移施工方法，后續單元的卸載會影響到前一單元的桿件受力，與原設計一次加載不符。因此，對常規拼裝方案做了修改完善。

單元N已滑移出拼裝位置后，單元N＋1（除去二次安裝桿件部分）在拼裝臺架上完成拼裝工作，卸載至兩端滑移支座上。此時卸載，受力狀況與單元N相同，且N＋1單元的卸載不會影響到N單元的受力。卸載后，焊接二次安裝桿件，補全網架，拼裝順序如圖18所示。同時對拼裝單元進行施工預起拱，起拱值大小參考結構施工過程仿真分析結果。

圖18 拼裝順序示意

4.5 網架卸載施工

1）卸載順序：縱向由中間向兩側支座處對稱卸載，橫向從V形柱內圈向外圈卸載。

2）卸載步驟：首先利用千斤頂將結構稍微頂起，然后拆除滑移軌道及臨時支座，設置調節墊片，通過抽出調節墊片使結構平緩的卸載到V形柱上。

5 結語

通過對網架滑移施工全過程進行仿真分析，以仿真分析結果指導施工，解決了滑移施工工況與設計工況力的加載形式不同而造成網架桿件應力不同的難題，保證了結構及施工的安全，達到預期效果，圓滿完成了拱形網架的施工任務。