雙向交叉平面鋼桁架提升全過程分析

張國棟

上海同磊土木工程技術有限公司，上海 200433

大跨鋼結構形式的優(yōu)越性使其廣泛應用于火車站、體育館、會展中心等公共建筑，造就了不少造型優(yōu)美、外觀新奇和室內擴展性極強的建筑。隨著安裝方案的不同，其結構體系和受力方式在安裝過程中不斷變化，而施工方案的選擇關系到整個項目的進度工期和經(jīng)濟合理性[1]，因此有必要在理論階段研究安裝方案的安全性與可靠性。

1 項目概況

案例工程為某市體育中心體育館比賽館項目，體育館上部鋼屋蓋形狀為平面圓角矩形，采用雙向交叉平面鋼桁架結構。其平面尺寸為短跨109.2m，長跨方向126.1m，單榀桁架矢高為5.7～8.7m。

2 鋼結構安裝思路

該工程最大安裝標高為+33.6m，需要選擇合理的鋼結構安裝方案。方案1采用分件高空散裝安裝方案，但局限于場地內空間的狹小和起重機械的吊裝能力，導致各專業(yè)工作面交叉大，達不到預定安裝進度。方案1的施工難度大，不利于保障鋼結構吊裝安全、高空焊接質量以及工期進度計劃控制[2]。

方案2是在鋼桁架投影位置正下方地下室-5.9m處拼裝被提升單元，利用液壓同步提升系統(tǒng)將部分鋼桁架屋面提升至設計位置，然后再與吊裝段桁架對接完成鋼屋面安裝。方案2的施工難度小，絕大部分拼裝和焊接作業(yè)在地面進行，保障了鋼桁架的安裝質量。

綜合考慮施工難度和經(jīng)濟效益，該工程選擇方案2的施工方法。

3 提升技術原理

液壓提升器兩端的專用錨具有單向自鎖功能，在提升工況中能夠自動鎖緊鋼絞線，在非提升工況中能夠實現(xiàn)鋼絞線的上下活動[3]。

提升系統(tǒng)采用計算機集中控制，利用智能節(jié)點傳遞指令、收集數(shù)據(jù)和反饋系統(tǒng)狀態(tài)，可全自動實現(xiàn)同步作業(yè)、姿態(tài)矯正、行程顯示和故障報警等可視化功能，實現(xiàn)了單臺液壓提升器的獨立實時監(jiān)控，從而能優(yōu)化控制的精度，實現(xiàn)低延遲反應的操作[4]。

4 數(shù)值模擬分析

大跨鋼結構施工受限于體系成型前的邊界約束、受力形式和施工工藝等原因，是一個隨著施工階段進行而動態(tài)變化的過程。根據(jù)對建筑行業(yè)內發(fā)生的大跨鋼結構安裝事故的分析可知，發(fā)生事故的原因均是未能準確對整個施工過程及關鍵節(jié)點進行施工模擬，導致施工工藝缺陷未能及時被發(fā)現(xiàn)和關鍵節(jié)點破壞從而引發(fā)事故。因此，針對該項目特點，決定采用空間有限元分析軟件Midas Gen對提升施工全過程進行模擬，采用通用有限元分析軟件ANSYS Workbench對關鍵節(jié)點進行計算分析。

4.1 提升過程分析

根據(jù)提升吊點對稱布置和主構件受力的原則，在被提升結構選取8個點作為提升下吊點，選擇TS-405型液壓提升器。單臺液壓提升器具有405t的額定提升能力，采用直徑為17.78mm、抗拉強度為1860MPa的預應力鋼絞線作為連接上、下吊點的關鍵承力結構，提升吊點布置如圖1所示，設備配置如表1所示。

圖1 吊點及后裝桿件布置圖

表1 提升設備配置表

進行提升工況分析后可知，被提升結構部分構件應力比大于1.0，不滿足施工要求，需要對此部分構件進行替換。

對超限桿件進行替換后，被提升結構桿件最大應力比為0.74＜1.0，滿足要求；被提升結構最大豎向變形為20.9mm，提升點跨度為25200mm，豎向變形和提升點跨度之比為1/1205＜1/400，滿足要求。

提升至設計標高后，需對外圍桁架構件進行嵌補，嵌補后鋼桁架最大應力比為0.84＜1.0，滿足要求。

4.2 卸載過程分析

該工程運用的卸載方法為整體同步卸載法，以位移控制為依據(jù)，每次卸載高度為40mm，共進行4次卸載。卸載后應力比云圖和最大位移如圖2所示。同步卸載后，屋桁架最大應力比為0.72＜1.0，滿足施工要求。

圖2 卸載后應力比云圖和最大位移圖

4.3 提升支架設計

現(xiàn)場共布置8組門式提升支架，每組提升架由2個格構式胎架組成，支架高43.5m。提升工況中支架桿件最大應力比為0.87＜1.0，最大水平變形為118.7mm，水平變形為提升點跨度的1/366＜1/250，最小屈曲因子為5.9＞4.0，提升支架設計滿足施工要求。

4.4 下吊具設計

該工程在對應弦桿的上翼緣布置下吊點，提升過程中被提升單元主要承受豎向自重荷載，由此可知下吊具所受的荷載大小等于單個液壓提升器鋼所有絞線內力之和。下吊具應力云圖如圖3所示。由精細化分析得到下吊具最大應力為304MPa，發(fā)生在上翼緣與下吊具連接圓角局部很小的位置上，下吊具絕大部分應力在150MPa以下，最大變形為0.9mm，計算模型參數(shù)設置符合設計要求，下吊具結構強度和剛度均能滿足該項目提升工況要求。

圖3 應力云圖

5 結論

（1）通過對提升施工過程的準確模擬分析可知，要找出各種不利工況下被提升結構的薄弱桿件，并對這部分桿件進行替換或者加固，從而保障提升過程安全可靠。

（2）文章提出了一種廣泛適用于其他項目的提升支撐方式和下吊具形式，通過Midas Gen和ANSYS對結構強度、剛度和穩(wěn)定性進行了驗證。

（3）大跨空間鋼結構的安裝施工過程關乎整個結構的安全性和穩(wěn)定性，文章通過對鋼結構提升工況、卸載工況、關鍵節(jié)點等進行仿真計算分析，確保了施工工藝的可靠性。