某體育場(chǎng)大懸挑罩棚施工全過程模擬分析

陳 剛，許 強(qiáng)

(1.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311402； 2.杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司，浙江 杭州 311232)

1 工程概況

某體育場(chǎng)東西長(zhǎng)約255 m，南北長(zhǎng)約202 m，結(jié)構(gòu)最大懸挑為33.673 m，結(jié)構(gòu)最高標(biāo)高為35.8 m，鋼結(jié)構(gòu)平面投影面積約為23 250 m2。最外圈樓梯結(jié)構(gòu)和鋼骨柱作為上部鋼結(jié)構(gòu)的支撐點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)罩棚主要構(gòu)件為 Q355B的圓鋼管，由主桁架和環(huán)桁架、次桁架及鋼支撐組成，主桁架支承于下部混凝土鋼骨柱,如圖1所示。

體育場(chǎng)大懸挑罩棚鋼結(jié)構(gòu)是大型空間結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)懸挑比較大、剛度柔、單榀桁架重量大、需要進(jìn)行高空安裝、建筑造型復(fù)雜等，桁架安裝順序?qū)Y(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力分布影響較大。施工過程按不同的結(jié)構(gòu)形式和安裝順序可以分成若干階段，在每個(gè)階段，結(jié)構(gòu)形式、受力體系、施工荷載都可能會(huì)產(chǎn)生變化，因此需要對(duì)處于不同階段的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程的施工驗(yàn)算，保證施工過程的安全性[1-2]。

在桁架吊裝和焊接工作完成之后應(yīng)進(jìn)行臨時(shí)支撐胎架的卸載。卸載的過程是結(jié)構(gòu)受力體系逐步轉(zhuǎn)變和內(nèi)力重新分布的過程，臨時(shí)支撐胎架的卸載是施工安全的關(guān)鍵問題之一[3-4]。支撐胎架卸載順序?qū)χ畏戳Α⒆冃魏徒Y(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大，在施工模擬分析中應(yīng)對(duì)卸載步劃分、單元卸載順序和偶然工況等進(jìn)行分析，為制定合理的卸載方案提供依據(jù)[5-6]。

2 罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工順序

2.1 罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工方案

根據(jù)體育場(chǎng)罩棚鋼桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，體育場(chǎng)罩棚鋼結(jié)構(gòu)采用如下的施工方案：

1)主、次桁架在工廠下料、切割，以散件的形式運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。

2)體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)外圍和場(chǎng)內(nèi)設(shè)置拼裝場(chǎng)地，主桁架、環(huán)桁架柱均在現(xiàn)場(chǎng)拼裝成整榀后吊裝。

3)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分縫共分成8個(gè)區(qū)域連續(xù)施工，分區(qū)圖如圖2所示，即由A區(qū)→B區(qū)→H區(qū)→G區(qū)→F區(qū)→E區(qū)→D區(qū)→C區(qū)依次進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工。施工過程中主桁架下設(shè)立臨時(shí)支撐胎架。

2.2 罩棚鋼結(jié)構(gòu)安裝施工流程

首先使用2臺(tái)25 t汽車起重機(jī)在體育場(chǎng)內(nèi)安裝A區(qū)、B區(qū)的臨時(shí)支撐胎架，臨時(shí)支撐架需用纜風(fēng)繩進(jìn)行固定，安裝完成后進(jìn)行檢查、驗(yàn)收，合格后吊裝罩棚鋼結(jié)構(gòu)桁架。主桁架在地面拼裝并驗(yàn)收合格后，使用260 t履帶起重機(jī)進(jìn)行吊裝主桁架，使用100 t汽車起重機(jī)吊裝下部斜桁架柱，然后使用100 t履帶起重機(jī)吊裝相應(yīng)的環(huán)向桁架、次桁架及支撐系統(tǒng)。吊裝主桁架、下部斜桁架柱的起重機(jī)行走、停放在體育場(chǎng)場(chǎng)外的施工道路上，其余起重機(jī)可以行走、停放在體育場(chǎng)內(nèi)。A區(qū)、B區(qū)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)焊接完成以后，根據(jù)卸載方案進(jìn)行卸載。卸載完成后，拆除A區(qū)、B區(qū)的臨時(shí)支撐胎架，同時(shí)開始搭設(shè)H區(qū)、G區(qū)的臨時(shí)支撐架。然后根據(jù)A區(qū)、B區(qū)施工流程依次進(jìn)行H區(qū)、G區(qū)、F區(qū)、E區(qū)、D區(qū)、C區(qū)罩棚鋼結(jié)構(gòu)的安裝、卸載。

3 施工模擬分析

采用Midas/Gen軟件進(jìn)行施工全過程模擬分析。罩棚鋼結(jié)構(gòu)材料材質(zhì)均勻，強(qiáng)度高，施工模擬計(jì)算時(shí)不考慮材料非線性，但需要考慮安裝過程中的非線性效應(yīng)。根據(jù)不同施工步驟，對(duì)結(jié)構(gòu)、邊界和荷載進(jìn)行分組設(shè)置，通過不同施工步驟間的“激活”和“鈍化”模擬罩棚鋼結(jié)構(gòu)安裝和卸載。施工模擬過程中，主要考慮結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、降溫荷載，降溫荷載按-25 ℃計(jì)算[7-8]。典型施工模擬有限元模型如圖3所示。

一般的施工模擬常設(shè)置鉸接的固定支座代替臨時(shí)支撐，約束剛度與實(shí)際不一致，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力分布與實(shí)際不一致[9]；在卸載的過程中如果連續(xù)施加強(qiáng)迫位移，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)桿件出現(xiàn)內(nèi)力反號(hào)，導(dǎo)致分析結(jié)果失真。因此，在有限元中需要建立臨時(shí)支撐架和纜風(fēng)繩模型，使用彈性連接模擬卸載過程，充分考慮臨時(shí)支撐胎架的變形對(duì)罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工過程的影響。

管桁架桿件、臨時(shí)支撐架桿件選取梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，適合于分析細(xì)長(zhǎng)的線型結(jié)構(gòu)，管桁架材料按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行取值。臨時(shí)支撐架材料取Q235B，纜風(fēng)繩材料按自定義材料設(shè)置，彈性模量取1.6×1011N/m2，泊松比取0.3。

4 有限元計(jì)算結(jié)果

4.1 基于施工全過程的模擬分析結(jié)果

模擬結(jié)果分析顯示，整個(gè)施工全過程模擬過程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力始終保持在合理的水平，施工步驟間結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化比較平緩，未出現(xiàn)較大的波動(dòng)和劇烈變化，構(gòu)件應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度。整個(gè)施工過程中最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在主桁架臨時(shí)支撐胎架卸載以后，少數(shù)出現(xiàn)在卸載以前的構(gòu)件安裝過程中，因此進(jìn)行施工全過程的有限元模擬計(jì)算能夠最大限度地保證施工安全。考慮到桁架構(gòu)件拉壓應(yīng)力下的屈服或屈曲失穩(wěn)，控制構(gòu)件最大應(yīng)力比更符合實(shí)際，施工全過程中最大應(yīng)力比0.56，可知結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備。施工過程中最大豎向位移為38.4 mm，能夠滿足JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程要求短向跨度1/250的要求。各分區(qū)施工全過程有限元計(jì)算模擬分析結(jié)果見表1。

表1 分區(qū)施工全過程模擬分析結(jié)果

由于體育場(chǎng)桁架整體呈現(xiàn)馬鞍形，各榀主桁架垂直平面外有輕微的傾斜，在吊裝過程中由于鋼支撐是逐步安裝的，吊車松鉤后主桁架端部會(huì)出現(xiàn)一定扭轉(zhuǎn)變形，特別是B區(qū)、D區(qū)、F區(qū)、H區(qū)的主桁架，因此在模擬分析時(shí)要特別注意環(huán)桁架、次桁架、支撐的安裝順序。模擬分析時(shí)通過調(diào)整各次構(gòu)件的吊裝次序，施工過程中主桁架沒有出現(xiàn)大的側(cè)向位移變形。各分區(qū)模擬施工應(yīng)力與變形如圖4所示。從圖4中可以看出，由于臨時(shí)支撐高度比較高，施工過程中主桁架和臨時(shí)支撐胎架是沿著懸挑端方向有一定位移變形，最大水平位移變形10.5 mm，滿足規(guī)范限值要求。

4.2 偶然工況的結(jié)構(gòu)敏感性分析

卸載過程中可能出現(xiàn)較大反力臨時(shí)支撐卸載滯后、較大反力臨時(shí)支撐失效、較大反力區(qū)域附近的臨時(shí)支撐胎架失效等偶然工況，這些偶然工況有可能導(dǎo)致局部構(gòu)件破壞甚至結(jié)構(gòu)整體倒塌。針對(duì)出現(xiàn)概率最大的較大反力臨時(shí)支撐卸載滯后這種偶然工況進(jìn)行分析。研究表明:鋼罩棚的整體性較好，但是局部卸載滯后直接導(dǎo)致滯后的臨時(shí)支撐點(diǎn)反力大幅度提高，反力變化趨勢(shì)改變；臨時(shí)支撐點(diǎn)附近的桁架桿件應(yīng)力比也相應(yīng)增大，存在嚴(yán)重的安全隱患。以反力最大的E區(qū)8號(hào)臨時(shí)支撐胎架為例，臨時(shí)支撐反力最大56.2 kN，考慮相鄰臨時(shí)支撐卸載不同步，造成8號(hào)臨時(shí)支撐卸載滯后，臨時(shí)支撐反力增加到83.2 kN，增大了48%。因此在進(jìn)行下部臨時(shí)支撐胎架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有足夠的安全儲(chǔ)備，并且在卸載前對(duì)相關(guān)的工程人員進(jìn)行培訓(xùn)，盡可能避免出現(xiàn)可能的偶然工況。

針對(duì)較大反力臨時(shí)支撐胎架失效的問題，通過臨時(shí)支撐胎架的設(shè)計(jì)驗(yàn)算，充分考慮各種可能出現(xiàn)的工況，保證安全不失效。考慮到臨時(shí)支撐高度達(dá)到33 m，安裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)頂部的側(cè)傾，纜風(fēng)繩只設(shè)置在頂部和中間位置，臨時(shí)支撐會(huì)出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)，需要計(jì)算胎架整體失穩(wěn)。經(jīng)過計(jì)算，臨時(shí)支撐鋼構(gòu)件最大應(yīng)力比0.26，纜風(fēng)繩容許拉力23.6 kN，最大拉力8.5 kN，滿足使用需求。設(shè)置2道纜風(fēng)繩情況下，臨界荷載安全系數(shù)35.1，遠(yuǎn)大于4.2，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的穩(wěn)定性安全要求。支撐卸載滯后計(jì)算圖見圖5。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于施工全過程的有限元模擬分析，對(duì)某體育場(chǎng)的罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工全過程進(jìn)行了分析研究，模擬計(jì)算分析結(jié)果表明:1)施工全過程模擬過程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力始終保持在合理的水平，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形未出現(xiàn)突變，整個(gè)施工過程中最大應(yīng)力可能出現(xiàn)在構(gòu)件安裝或卸載的過程中，因此需要進(jìn)行施工全過程的有限元模擬計(jì)算。2)由于體育場(chǎng)罩棚鋼結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，模擬分析時(shí)要特別注意環(huán)桁架、次桁架、支撐的安裝順序，避免安裝過程中出現(xiàn)比較大的位移變形。3)施工過程中偶然工況會(huì)引起相關(guān)的臨時(shí)支撐反力和局部構(gòu)件應(yīng)力的變化，出現(xiàn)局部破壞甚至引起整體坍塌，必須充分考慮各種可能會(huì)出現(xiàn)的偶然工況。