大跨度復雜鋼結構屋蓋施工模擬分析

王 棋

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

大跨度鋼結構因其使用空間大、造型美觀、經濟性好等特點，在體育館、藝術館、交通樞紐等公共建筑中得到廣泛應用。但大跨度鋼結構施工難度大且周期長，在整個施工過程中其受力狀態也在不斷改變，施工荷載、邊界條件、結構形態的變化都會影響構件的最大應力和最大位移。因此，為保障大型復雜鋼結構的安全性，控制結構施工滿足規范要求，有必要進行施工階段模擬分析[1-2]。

目前，國內外學者針對大跨度復雜鋼結構施工模擬分析做了大量研究。張君等[3]通過對天水體育中心游泳館屋蓋結構施工過程進行數值模擬計算及現場追蹤監測的分析對比，研究了施工方案的可靠性及結構的安全性；李志強等[4]通過模擬分析對比了4種大跨度鋼結構施工方案，提出了基于應力比和變形值最小偏差的方案有效性評判原則；仝曉莉等[5]研究了施工過程中溫度變化對結構力學響應的影響，表明考慮安裝溫度與否會引起施工時結構節點位移與桿件軸力計算結果的較大偏差。

本文針對某大型體育館的大跨度鋼結構屋蓋，利用Midas Gen有限元軟件模擬分析屋蓋結構裝配、臨時支撐拆除等重要施工步驟，研究施工過程中結構力學響應，為工程施工方案提供理論支撐，并為此類工程的施工分析提供參考。

1 工程概況

1.1 結構簡介

該體育館屋蓋為大跨度空間網架結構，整體建筑造型呈貝殼狀起伏，結構外形接近橢球殼狀。屋蓋結構的平面投影呈橢圓形，短軸為152 m，長軸為243 m，短軸剖面最大矢跨比為1/7，長軸剖面最大矢跨比為1/14，屋蓋最高點標高約32 m。長軸方向架設一道長243 m的主桁架，屋蓋短軸主受力方向共布置25道拱形鋼結構空間管桁架主梁，屋蓋的支座將南北向桁架主梁分為3跨，中間主跨度為94.8 m，兩端跨跨度均為12.6～23.6 m。屋蓋平面結構如圖1所示。

圖1 屋蓋鋼結構三維模型

1.2 施工方案

針對體育館屋蓋跨度大、桁架結構復雜等特點，并綜合考慮施工場地條件及類似工程施工經驗等，對屋蓋結構采用分塊吊裝、高空拼接等方法進行安裝。

(1)為了保證施工過程中主桁架和邊桁架的穩定性，根據屋蓋網架結構體系的受力特點，在東西向主軸線上的中心點處，以及左右兩端距離中心點59 m處設置3個四肢格構式支撐胎架，胎架模型及搭設位置如圖2所示。

圖2 胎架結構模型及胎架布置

(2)先利用胎架組裝搭建東西向長跨主桁架，然后從主桁架的一端安裝邊桁架，再以主桁架為中軸線在其左右兩側對稱安裝桁架主梁及次桁架。

(3)桁架主梁和次桁架按照順序從主桁架西端開始往東端進行安裝，當安裝到主桁架的3/4跨位置處時，又在主桁架的東端安裝邊桁架，再將剩下的1/4跨的桁架安裝完整。

(4)最后在局部安裝封閉桁架和聯系桁架，然后按順序卸載臨時支撐胎架。

2 施工模擬

由于在施工過程中，隨著桁架結構單元、結構剛度、邊界條件以及施工荷載的不斷改變，已安裝好的鋼結構會不斷產生內力重分布，結構自身的力學屬性也在不斷變化。本文采用有限元軟件Midas Gen對體育館屋蓋的整個施工過程進行模擬分析，研究結構在不同施工階段的受力及變形情況。

計算模型結構主要包括上弦桁架、下弦桁架以及腹桿3部分，所有桿件均采用熱軋無縫鋼管。桿件均采用Q345B級鋼材，屈服強度為345 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，材料容重為7 698 kg/m3。上弦桿大部分截面為φ159×6 mm和φ245×14 mm，下弦桿大部分截面為φ351×12 mm和φ402×16 mm，支撐胎架截面采用HW300×300×10×15 mm。所有構件統一采用6自由度的梁單元模擬。屋蓋內圈南北兩側采用有彈性約束的支座鉸接固定，其余內圈支座采用單向固定鉸接；外圈支座均采用雙向固定鉸接；胎架與屋蓋主桁架之間的節點采用剛性連接。施工過程中的荷載為結構桿件自重，考慮到施工材料、構件節點重量的折算以及結構的安全性，自重系數取1.2。

在結構施工模擬分析過程中，根據施工方案中不同安裝階段結構拼裝的實際情況，將不參與整體結構分析的構件“鈍化”，并依照分段安裝順序將構件逐次“激活”，以模擬構件安裝過程中每一階段真實的力學性能變化。在屋蓋主體結構構件全部安裝完后，同樣使用“鈍化”模擬支撐胎架的拆除，對支撐胎架卸載后的整體結構受力變形情況進行驗算分析。建立的有限元結構模型如圖3所示。

圖3 施工模擬有限元模型

3 結果分析

屋蓋裝配過程復雜冗長，胎架拆除過程又極為關鍵，所以結合主桁架跨度和胎架位置劃分吊裝單元，綜合考慮拼裝過程中的最不利情況，選擇了8個關鍵施工步驟結果進行分析，各步驟下的結構位移和應力如圖4、圖5所示，其中步驟8為支撐胎架卸載后結構整體的受力變形情況。由圖4、圖5可以看出，在屋蓋結構裝配全過程中，除步驟2外其余步驟最大位移除均出現在主桁架中間兩跨的跨中位置，最大應力出現在主桁架與胎架連接處的腹桿上。步驟2的最大位移出現在裝配好的邊桁架的兩端，這是因邊桁架兩端無支撐而處于懸臂狀態。在其中整個安裝過程中的最大位移和最大應力均出現步驟5，表明這是鋼結構施工過程中的最不利情況。該步驟下位移最大值為39.47 mm，最大位移與跨度比值為1/1 495，遠小于規范容許值1/400；此刻的最大應力值為188.65 MPa，小于應力屈服值345 MPa。

由步驟3到步驟7可以看出，隨著主梁和次桁架在主桁架上的不斷裝配，桁架構件在結構變形協調過程中不斷發生內力重分布，最終形成穩定受力體系。最大豎向位移值先不斷增大，達到步驟5的最大值后又逐漸減??；最大應力值在桁架未形成穩定結構體系時增幅明顯，當形成穩定桁架單元后最大應力值也達到穩定，變化值很小。步驟8為支撐胎架卸載后屋蓋結構的受力和變形情況，其最大位移出現在整體桁架結構的中心處，最大應力出現在內圈支座節點處，最大位移值為65.60 mm，最大應力值為256.82 MPa，均滿足規范要求。對比步驟7和步驟8可以看出，在胎架拆除后桁架的最大豎向變形由中間兩跨的跨中向屋蓋中心位置轉移，最大位移值的增幅達81%；最大應力值由胎架支撐處向結構周圍擴散，卸載前后增幅達41.4%，說明臨時支撐結構受力較大，拆除后結構發生了明顯的內力重分布。

4 結論

本文對某體育館屋蓋結構的施工過程進行模擬分析，根據施工方案對8個典型工況的最大應力和位移進行驗算。結果表明，在屋蓋桁架裝配過程中，最大位移為39.47 mm，最大應力為188.65 MPa，滿足規范要求和承載力極限狀態要求，說明該結構在各施工階段均處于安全狀態；臨時支撐胎架受力較大，卸載后結構發生了明顯的內力重分布。模擬結果為該工程施工過程的安全性提供了理論支撐，并為類似工程的施工模擬分析提供了參考。

圖5 屋蓋鋼結構應力云圖