網(wǎng)架局部補強技術

劉雙橋，劉瑞斌，龐 鵬，李 清，楊連棟

（中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064）

0 引言

隨著人們對建筑的要求不斷提高，不僅有堅固耐用的基本要求，對建筑美學也提出了新的要求，網(wǎng)架結構也逐漸成為我國近年來建筑設計中使用較多的一種建筑類型。該類型結構常用施工方法主要有高空原位拼裝法、提升法、累積滑移法等［1］。本文以武漢夢時代廣場項目屋頂鋼網(wǎng)架為例，提出一種新型網(wǎng)架局部超應補強技術，通過計算模擬進行桿件分類、加固，從而影響整個結構的受力體系，確定敏感桿件范圍，大幅度降低由于施工工藝原因需要替換的桿件數(shù)量，節(jié)約施工成本，降低原材消耗，有利于推動大跨度空間網(wǎng)架結構桿件加固補強技術。

1 工程概況

武漢夢時代廣場項目是華中地區(qū)集商業(yè)、餐飲、娛樂為一體的最大的商業(yè)綜合體，總建筑面積達 80 萬 m2，是華中地區(qū)地標性建筑。本項目屋蓋層有近 2 萬 m2異型網(wǎng)架結構，網(wǎng)架跨度 45 m，網(wǎng)架厚度 3 m。作為網(wǎng)架結構的核心部件，桿件的結構可靠性直接影響網(wǎng)架結構可靠性。同時，各種新型施工工藝的成熟使得在施工方案上有了更多合理的選擇。通過多種方案比選將網(wǎng)架分為 4 個部分，采用地面拼裝+整體提升施工工藝。網(wǎng)架結構下降至混凝土結構屋面進行地面拼裝，拼裝完成后利用既有網(wǎng)架結構支座混凝土柱作為提升架進行整體提升施工。

因屋面結構具有很多出屋面的樓梯間設備間等結構與拼裝網(wǎng)架干涉，故網(wǎng)架分為散拼區(qū)及提升區(qū)，具體分區(qū)如圖 1 所示。

圖1 網(wǎng)架提升區(qū)布置圖

整體提升施工工藝的使用使得原結構在施工過程中的載荷工況相對于原設計工況更加復雜，因此充分模擬施工過程，提前辨識出關鍵區(qū)域受力桿件，通過整體位移、形變及時發(fā)現(xiàn)問題桿件，并提供可靠的局部桿件加固技術將成為結構安全使用的重中之重。如何有效地完成以上工作內(nèi)容，確保施工質量，使得與新型工藝相結合的局部桿件加固技術顯得很有研究價值和意義。

2 網(wǎng)架結構模擬分析及鎖定加固截面

2.1 結構概況

夢時代項目 AB 區(qū)屋蓋鋼結構工程為空間網(wǎng)架結構，在整體提升施工階段，地面拼裝工況支撐點的改變，地面拼裝與結構存在干涉區(qū)域導致結構不完整，提升器油壓不同帶來的不同步運行所引起的內(nèi)力集中，大跨度空間網(wǎng)格結構的空間剛度會有所下降，更容易出現(xiàn)局部桿件失效的情況，且該種情況的表現(xiàn)較為隱蔽，施工完成后更容易出現(xiàn)隱患。

空間網(wǎng)架結構在設計模擬計算中，桿件僅僅受到拉力或壓力，但在實際受力過程中，別個重點區(qū)域桿件需要承擔額外載荷，網(wǎng)架結構的受力狀態(tài)和設計狀態(tài)不相符且在局部存在較大偏差。

項目采用 sap 計算軟件進行提升工況模擬，桿件均采用梁單元模擬，梁按照壓彎構件計算。驗算變形時荷載分項系數(shù)取 1.0，驗算強度時荷載分項系數(shù)取 1.5［2］。考慮提升時不同步，考慮 1.2 倍的不均勻超載系數(shù)。吊點位置施加豎向約束和水平彈簧的形式來模擬鋼絞線對吊點的約束。提升工況分析中，網(wǎng)架的桿件應力比應控制在 0.9 以內(nèi)。根據(jù) GB 50017－2003《鋼結構設計規(guī)范》［3］，受拉桿件長細比＜300（支座附近＜250），受壓桿件長細比＜180。

計算結果如圖 2～圖 4 所示，根據(jù)圖 4 可知，在正常受力狀態(tài)下，應力比超過 0.5 的桿件數(shù)量約占 80 %，應力比超過 0.8 約占總數(shù)的 22 %，應力比超過 0.94 的有 60 根，部分桿件應力比超過 2。應重點關注高應力比桿件并及時追蹤，確保結構安全。不滿足桿件應力比 0.9 的桿件需要進行加固或置換。

圖2 網(wǎng)架變形云圖

圖3 網(wǎng)架桿件應力比圖（桿件替換前）

圖4 原設計網(wǎng)架桿件提升工況應力比統(tǒng)計圖（桿件補強/替換前）

2.2 加固或置換思路原則

在結構設計階段或者施工準備階段，可以根據(jù)施工方案直接選擇替換。如果因某些原因中途修改施工方案，桿件已經(jīng)加工，再進行替換會花費非常大的代價及時間精力。進而為解決此問題提出一種桿件加固技術，使得原受壓桿件可以通過有效補強避免發(fā)生屈曲。

2.3 網(wǎng)架桿件補強技術

通過 ansys 模擬分析可知，當壓桿長細比大于某個值時，使結構失穩(wěn)的極限應力遠小于結構的屈服極限強度，該情況下，通過一定手段對桿件進行補強處理可顯著提升該桿壓桿的穩(wěn)定性；當壓桿長細比小于某個值時，結構失穩(wěn)的極限應力接近結構的屈服極限強度，該情況下直接在設計中對原桿件進行替換是更合理的選擇。通過計算鎖定極限長細比，合理劃分替換桿件和加固桿件是技術核心。

通過以上分析可知，網(wǎng)架局部加固技術即為通過施工模擬和施工過程監(jiān)測，減少設計階段的替換桿件，重點監(jiān)控有較大的概率突破設計限值的桿件，并采取相應措施的技術。

首先，應先分析原設計條件下，空間網(wǎng)架結構各個區(qū)間桿件的應力應變水平，鎖定超應力比的桿件范圍；其次，應在控制值下分析出施工過程中的最不利狀態(tài)，將該狀態(tài)下的施工模擬計算結果與原設計狀態(tài)進行對比分析，篩選出兩種狀態(tài)下應力比水平較高的桿件重復覆蓋范圍，進一步縮小關注區(qū)域；再次，對于拉桿，直接進行桿件替換。對于壓桿，應將壓桿型號做進一步分析，根據(jù)桿件截面的分布規(guī)律，確定極限長細比。由于低長細比的桿件其穩(wěn)定應力相對于高長細比的桿件不敏感，因此低于極限長細比的桿件直接在設計中予以替換，高于極限長細比的桿件將納入重點監(jiān)控范圍；最后，通過施工過程監(jiān)測結合上述分析結果，重點關注敏感區(qū)高長細比桿件的變形情況，并將超出理論變形狀態(tài)下的桿件進行加固處理。

根據(jù)桿件初步判斷，最容易出現(xiàn)屈服敏感臨界狀態(tài)的桿件為φ114 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm、φ159 mm×10 mm 圓管。因此，本文討論重點為上述三種桿件的臨界狀態(tài)。

3 加固技術實施方案與節(jié)點

根據(jù)上述分析擬選用較為簡單的增加肋板施工。

采用專業(yè)焊接施工人員，將加固用肋板安裝在需加固的桿件之上，加固扁鋼與鋼管可采用斷續(xù)焊，焊段長度為 15d，凈距≤15d，d為扁鋼厚度。其中，扁鋼長 4 000 mm，高度 80 mm，厚度 6 mm，具體如圖 5 所示。

圖5 桿件加固大樣

4 有限元分析

4.1 桿件分析流程

各類型壓桿的屈曲分析流程如下：①用特征值法求得壓桿的屈曲臨界載荷；②分析壓桿在該臨界載荷下的最大應力；③將步驟 2 中計算得到的最大應力與壓桿的屈服強度 235 MPa 進行比較，定性分析各壓桿的屈曲穩(wěn)定性能。

1）建模。采用實體建模：不帶肋的壓桿模型、帶加強肋的壓桿模型。

2）網(wǎng)格劃分。單元尺寸設為 20 mm。

3）載荷和約束設置。在壓桿的兩端設置鉸接約束，在壓桿的頂部加載豎直向下的 1 N 的力。

4.2 屈曲模態(tài)分析

所求得的正的第一階屈曲模態(tài)頻率即為壓桿的屈曲臨界載荷大小，φ114×4不帶肋圓管的正第一階屈曲模態(tài)頻率為 203 490 Hz，即表明該圓管的屈曲臨界載荷為 203 490N（見圖 6）。

圖6 加載模型

4.3 應力分析

1）對圓管施加步驟 4.2 中求得的屈曲臨界載荷203 490 N，分析圓管在該臨界載荷下的應力，如圖 7 所示，φ114 mm×4 mm 不帶肋圓管在該載荷作用下的最大應力為 147 MPa。

圖7 φ114 mm×4 mm 不帶肋圓管在屈曲臨界載荷作用下的最大應力為 147 MPa

2）依次重復上述步驟對其他圓管進行分析，得出各壓桿在臨界載荷下的最大應力。

3）通過上述計算可知，φ114 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm 圓管加肋后的的最大屈曲應力均超過材料的屈服強度，φ159 mm×10 mm 圓管無論是否加肋其最大屈曲應力均超過材料的屈服強度，以上狀態(tài)下的桿件均對屈曲不敏感。

4.4 計算比值

將各壓桿的最大應力與壓桿的屈服強度 235 MPa［2］進行比較，求得各最大應力與屈服強度的比值，如表 1 所示。

表1 最大應力與屈服強度的比值表

4.5 選取截面

從表 1 可以看出，φ114 mm×4 mm 不帶肋圓管在屈曲時的最大應力僅為材料屈服強度的 0.63，材料利用率不高；φ140 mm×4 mm 不帶肋圓管在屈曲時的最大應力為材料屈服強度的 0.96，材料利用率較高；φ159 mm×10 mm 不帶肋圓管在屈曲時的最大應力大于材料屈服強度，說明該種壓桿在屈服時還沒有屈曲，截面選取偏大。

綜上，以φ140 mm×4 mm 截面為限，φ140 mm ×4 mm 以下截面的材料利用率不高，以上截面的選取偏大，將φ140 mm×4 mm 作為極限截面為最優(yōu)選擇。

5 夢時代網(wǎng)架桿件替換方案

5.1 提升工況下需替換桿件

按提升工況進行施工過程模擬，應力比超 0.94 的桿件需進行桿件替換，具體布置如圖 8 所示。

圖8 提升工況替換桿件

如圖 8 所示，提升工況下，計劃替換桿件 156 根，其中 80 根桿件為壓桿，76 根桿件為拉桿，替換桿件涉及到的截面型號為φ88.5 mm×4 mm、φ114 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm、φ159 mm×10 mm、φ159 mm×12 mm、φ180 mm×12 mm、φ219 mm×14 mm。

5.2 經(jīng)過分析優(yōu)化后需替換桿件

經(jīng)過上述桿件截面篩選，設計階段替換桿件數(shù)量得以優(yōu)化，具體布置如圖 9 所示。

圖9 優(yōu)化后需替換桿件

如圖 9 所示，優(yōu)化后替換桿件 108 根，其中 32 根桿件為壓桿，76 根桿件為拉桿，替換桿件涉及到的截面型號為φ88.5 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm、φ159 mm×10 mm、φ159 mm×12 mm、φ180 mm×12 mm、φ219 mm×14 mm。相比于提升工況，經(jīng)過截面篩選的替換桿件數(shù)量得到優(yōu)化，替換桿件減少了 48 根。

6 結語

本技術的意義在于通過多種模擬計算，確定敏感桿件范圍。由于壓桿穩(wěn)定性和桿件長細比相關，因此通過鎖定極限長細比，將敏感桿件一分為二，低長細比桿件將直接在設計階段用更大規(guī)格桿件替換，高長細比桿件重點監(jiān)控，從而大幅度降低由于施工工藝原因需要替換的桿件數(shù)量，大大節(jié)約施工成本，降低原材消耗，同時有成熟的加固技術可以保障結構安全。

大跨度空間網(wǎng)架結構施工過程的監(jiān)控及模擬計算是網(wǎng)架桿件加固技術的關鍵步驟，根據(jù)計算分析結果及施工過程監(jiān)測結果確定重點桿件關注范圍，通過采用桿件替換或桿件加固提高桿件的穩(wěn)定性，從而影響整個受力體系，對新型工藝的施工過程進行有效控制，保證施工過程的平穩(wěn)、安全。該研究為其他工程的類似研究與應用打下了基礎，有利于推動大跨度空間網(wǎng)架結構桿件加固技術。Q