某大跨度空間鋼桁架施工全過程模擬分析及監(jiān)測研究

黃仲輝

(福建省二建建設(shè)集團有限公司 福建福州 350000)

0 引言

近年來，大型鋼結(jié)構(gòu)項目越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜、大跨度、大懸挑等情況，給施工帶來很大困難。大型鋼結(jié)構(gòu)通常要經(jīng)多階段分步施工后由子結(jié)構(gòu)逐步組裝形成。因此，如何保證卸載過程中結(jié)構(gòu)體系平穩(wěn)有序地轉(zhuǎn)換，是大跨度空間結(jié)構(gòu)施工控制的關(guān)鍵[1-4]。對整個施工過程各工況的應(yīng)力及變形進行計算，制定合理安全的施工方案，十分必要的[5-8]。

本文結(jié)合某游泳館屋蓋鋼桁架的施工，利用MIDAS/Gen 軟件對其施工全過程進行了數(shù)值模擬分析，并對施工過程關(guān)鍵桿件的應(yīng)力及變形進行了現(xiàn)場測試，以確保施工安全。

1 工程概況

某游泳館鋼結(jié)構(gòu)屋面采用混凝土柱結(jié)合鋼桁架梁的結(jié)構(gòu)形式：下部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部屋蓋采用鋼桁架及鋼梁，如圖1所示。屋面鋼桁架總長67.3 m，跨度43 m，屬于危險性較大工程(跨度大于36 m)。

本工程屋面鋼桁架上下弦桿件采用箱型250×250×14×14的構(gòu)件，腹桿采用箱型80×80×6×6，120×120×8×8構(gòu)件，桁架構(gòu)件焊接成榀，材料材質(zhì)均為Q345B。水平系桿采用箱型200×200×10×10、或箱型200×200×10×10與箱型120×120×8×8組合的格構(gòu)支撐形式，其材料材質(zhì)為Q235B。橫向水平支撐采用L90×10的材料，材質(zhì)為Q345B。次構(gòu)件采用10.9級高強螺栓連接，形成整體框架。柱頂?shù)啬_預(yù)埋采用Q345材質(zhì)，M30×1070的圓鋼材料。

(a)平面布置圖

(b)剖面圖

2 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工順序

大跨空間鋼結(jié)構(gòu)屋蓋多采用整體吊裝和空中拼接方式。本工程即采用大型吊機桁架整體吊裝和次構(gòu)件空間拼接的方法進行安裝。

具體施工順序如下：桁架梁地面拼裝，基礎(chǔ)復(fù)核放線，鋼桁架地面復(fù)核；9軸桁架吊裝就位，安裝固定、鋼絲繩拉結(jié)臨時固定；10軸桁架吊裝就位，9-10軸之間次構(gòu)件安裝；以此類推，直至完成19-21軸之間次構(gòu)件安裝；最后交叉支撐安裝并驗收。

3 施工過程有限元分析

3.1 MIDAS/Gen有限元模型

根據(jù)上述施工順序，采用MIDAS/Gen軟件進行施工階段模擬分析，共劃分為24個施工階段進行模擬分析，具體如表1所示。

考慮施工荷載，本次分析過程取1.1倍的結(jié)構(gòu)自重。框架柱、鋼桁架及鋼梁桿件均采用梁單元建模，屋蓋支撐采用桁架單元建模。

MIDAS/Gen軟件可以自動考慮本次施工階段得到的內(nèi)力和變形，在下一個施工階段中，從而實現(xiàn)整個施工過程的模擬，整體有限元分析模型如圖2所示。

表1 施工模擬階段與施工步驟對應(yīng)情況

(a)軸側(cè)視圖

(b)側(cè)視圖

3.2 有限元分析結(jié)果

限于篇幅，僅給出CS6、CS22施工階段的桁架變形及應(yīng)力結(jié)果，如圖3～圖4所示。由施工過程模擬結(jié)果可知，9軸、19軸、21軸鋼桁架由于跨度小，施工過程中應(yīng)力和變形均較小；10軸～18軸鋼桁架施工過程的最大變形均處于跨中區(qū)域，應(yīng)力最大值主要集中于跨中上下弦桿件及支座處，在施工過程中應(yīng)重點關(guān)注。

(a)整體位移云圖(mm)

(b)鋼桁架應(yīng)力云圖(MPa)

(a)整體位移云圖(mm)

(b)鋼桁架應(yīng)力云圖(MPa)

軟件可自動繪制出各個軸桁架最大變形，隨施工階段的變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，10軸～18軸各鋼桁架在自身吊裝完成后，變形變化量最大。隨著后續(xù)的3個階段的施工后，變形增加不明顯并趨于平穩(wěn)。這主要是由于桁架逐漸形成完整的空間體系，隨著后續(xù)施工過程的不斷進展，鋼桁架的空間整體性不斷完善，內(nèi)力重分布后變形則逐漸趨于穩(wěn)定，最終最大變形值為17.25 mm，遠小于規(guī)范限制。

圖5 各軸主桁架施工過程最大變形變化曲線(單位:mm)

根據(jù)整個施工過程模擬可知，各榀鋼桁架在吊車脫鉤后的應(yīng)力變化量最大，施工過程應(yīng)重點關(guān)注。但整體應(yīng)力水平始終保持在合理的范圍，最大拉、壓應(yīng)力穩(wěn)定在-24.9 MPa～37.3 MPa之間，構(gòu)件受力遠小于的材料屈服強度，安全儲備充足。另外，數(shù)值模擬結(jié)果也為下一階段的監(jiān)測測點布置和預(yù)警提供了依據(jù)。

4 施工過程監(jiān)測

4.1 測點布置方案

4.1.1 變形測點布置

根據(jù)上述有限元分析結(jié)果，選取10軸、14軸和18軸共3榀鋼桁架在下弦桿節(jié)點處，共計布置15個變形監(jiān)測點。具體布置如圖6所示。

圖6 10軸、14軸和18軸變形測點布置示意圖

4.1.2 應(yīng)力測點布置

同樣，選取上述3榀鋼桁架，在受力較大處(跨中和支座位置桿件)布置應(yīng)力測點，每個桿件截面布置2個應(yīng)變計(實際測試時，用“上、下”進行區(qū)分)，共計18個應(yīng)變監(jiān)測點，具體布置如圖7所示。

圖7 10軸、14軸和18軸應(yīng)力測點布置示意圖

4.2 變形測試結(jié)果

根據(jù)上述布置方案和測試結(jié)果，可計算得出整個施工過程所選取的鋼桁架跨中測點變形監(jiān)測結(jié)果，其與理論計算值對比曲線如圖8所示。由圖可知，10軸、14軸和18軸鋼桁架在施工過程中，實測值和理論值變化趨勢一致，但實測值均小于理論計算值。

圖8 各桁架跨中測點變形變化曲線理論值與實測值對比

4.3 應(yīng)力測試結(jié)果

同樣，可以得到整個施工過程所選取的鋼桁架各應(yīng)力測點的測試結(jié)果，其與理論計算值對比曲線如圖9～圖11所示。由圖可知，所選取的鋼桁架各測點的應(yīng)力值與理論值變化趨勢基于一致，且均接近理論計算值。實測最大拉、壓應(yīng)力穩(wěn)定在-21.9 MPa～34.3 MPa之間，構(gòu)件受力遠小于材料屈服強度。

圖9 10軸桁架各測點應(yīng)力變化曲線理論值與實測值對比

圖10 14軸桁架各測點應(yīng)力變化曲線理論值與實測值對比

圖11 18軸桁架各測點應(yīng)力變化曲線理論值與實測值對比

5 結(jié)論

對某游泳館大跨度鋼桁架施工全過程進行數(shù)值模擬分析和監(jiān)測，主要結(jié)論如下：

(1)本工程鋼桁架屋蓋是經(jīng)多階段分步施工后，由子結(jié)構(gòu)逐步組裝形成。為確保施工方案的可行性，施工過程模擬分析是施工控制的關(guān)鍵步驟。通過MIDAS/Gen施工全過程分析，可得到施工全過程應(yīng)力、變形變化曲線。由分析結(jié)果可知，桁架在吊車脫鉤應(yīng)力和變形變化最大，再后續(xù)3個階段施工后，變化則趨于穩(wěn)定。主要由于桁架逐漸形成完整的空間體系，隨著后續(xù)施工過程不斷推進，鋼桁架的空間整體性也不斷完善。此外，數(shù)值模擬結(jié)果為下一步施工監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

(2)鋼桁架的變形實測值和應(yīng)力實測值均與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，也驗證了數(shù)值模擬的準確性，說明結(jié)構(gòu)的施工方法可行。施工后鋼桁架屋蓋處于安全狀態(tài)。本案例可供相關(guān)類似工程參考。