某大跨度儲煤倉索桁架屋蓋施工模擬分析

李聰聰，李 娟，劉 香

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

索桁架結(jié)構(gòu)具有造型輕盈、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于大型體育館等公共建筑。索桁架結(jié)構(gòu)用于大跨度儲煤倉，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)儲煤倉自重大、用鋼量大的不足[1]。大跨度索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉由主柱、抗風(fēng)柱、鋼桁架梁、撐桿、穩(wěn)定索、承重索、上下斜拉索、縱向索、柱間檁條及拉條組成。索桁架屋面系統(tǒng)從零應(yīng)力態(tài)到初始態(tài)的過程是索系從“柔”轉(zhuǎn)“剛”的過程。這一過程中，對屋面索系施加了足夠的預(yù)應(yīng)力，使屋面系統(tǒng)保持穩(wěn)定的形狀及承載力[2-3]。因此，索桁架結(jié)構(gòu)屋面系統(tǒng)的施工對于整個(gè)結(jié)構(gòu)的施工至關(guān)重要。本文以某大跨度索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉為例，針對該儲煤倉的屋蓋施工方案進(jìn)行研究。本文研究內(nèi)容為該類型儲煤倉施工提供理論依據(jù)，有利于大跨度索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉的推廣。

1 工程背景

本文以包頭市某公司大跨度儲煤倉為例。該儲煤倉面積為120 m×180 m，結(jié)構(gòu)跨度為120 m。儲煤倉屋蓋采用魚腹式索桁架體系，共有19榀索桁架，各榀之間連有縱向索，表面覆蓋輕型屋面板。如圖1所示。儲煤倉側(cè)立面如圖2所示。中間榀索桁架構(gòu)件布置如圖3所示。屋面索系均采用高強(qiáng)封閉索，拉索參數(shù)見表1，儲煤倉其余基本構(gòu)件參數(shù)見表2。

表1 結(jié)構(gòu)拉索參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件參數(shù)

圖1 大跨度索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉三維示意圖

圖2 側(cè)立面圖（單位：mm）

圖3 中間榀索桁架示意圖（單位：mm）

2 索桁架屋蓋施工方案

根據(jù)索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，對索桁架屋蓋的施工擬定了“低空組裝索系，整體提升分級張拉”的施工方案。施工步驟如下。

（1）低空組裝屋面索系。首先在場地內(nèi)搭設(shè)腳手架，腳手架中間高度為6 m，兩端高度為2.1 m。其次利用吊車和索盤進(jìn)行放索和鋪索，將穩(wěn)定索和縱向索鋪設(shè)在場地內(nèi)投影位置的腳手架上，鋪設(shè)完畢后安裝索夾。最后將連接后的穩(wěn)定索和縱向索利用提升工裝提升至一定位置后安裝撐桿，并連接承重索。

（2）整體提升屋面索系。將提升點(diǎn)設(shè)置在柱頂位置，在柱頂位置搭建施工操作平臺。將穩(wěn)定索作為提升載體，利用液壓同步提升系統(tǒng)整體。提升過程中，利用倒鏈牽引縱向索和承重索頭，當(dāng)穩(wěn)定索提升到位后，承重索和縱向索的索頭距離耳板位置較近，便于后續(xù)張拉。

（3）張拉索系。屋面索系整體提升到位后直接張拉穩(wěn)定索和縱向索到位，然后張拉上斜拉索到位，最后按照20%、40%、60%、80%、90%和100%分級依次張拉下斜拉索和承重索到位。

（4）安裝屋面板。所有拉索張拉到位，索系具有一定的剛度后安裝屋面板。

索桁架索系安裝過程如圖4所示。

圖4 索桁架拉索安裝過程

3 施工過程有限元模擬分析

3.1 施工特點(diǎn)及有限元分析法

從施工力學(xué)的角度分析，本工程中索桁架結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力后，應(yīng)力的分布決定了結(jié)構(gòu)的幾何形狀。當(dāng)外荷載作用時(shí)，索桁架結(jié)構(gòu)通過變形調(diào)整張力以抵抗外荷載[4]。

本文采用有限元軟件MIDAS Gen對索桁架結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析，該軟件與同類軟件相比在空間結(jié)構(gòu)施工階段分析方面更加成熟，操作步驟簡單，非線性分析功能全面。建立結(jié)構(gòu)的整體模型后，按照結(jié)構(gòu)的施工步驟將同一施工步驟中出現(xiàn)的桿件、邊界及荷載劃分為同一組，并將各個(gè)結(jié)構(gòu)組、邊界組及荷載組定義到相應(yīng)的施工階段。利用MIDAS Gen施工分析數(shù)據(jù)中的累加模型計(jì)算時(shí)，下一個(gè)施工階段的內(nèi)力和變形隨上一個(gè)施工階段變化，此時(shí)單元被鈍化是將某一個(gè)極小的因子與此單元的剛度矩陣相乘，被鈍化單元的特性可以看作是無窮小的量，對其他單元不產(chǎn)生影響。在模型求解過程中只考慮被激活的構(gòu)件而不包括被鈍化的構(gòu)件，按照施工步驟將安裝構(gòu)件激活，未安裝構(gòu)件鈍化，最終達(dá)到真實(shí)施工模擬的目的[5]。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接形式為：鋼柱與鋼桁架、墻面檁條及拉條之間為剛接，拉索與鋼構(gòu)之間為鉸接，拉索與拉索之間為鉸接。其中拉索采用索單元模擬，撐桿采用桁架單元模擬，其余鋼構(gòu)件均采用梁單元模擬，屋面板和墻面板采用板單元劃分網(wǎng)格模擬。本文采用施加初拉力荷載的方法施加預(yù)應(yīng)力。

3.2 施工模擬分析

3.2.1 施工步驟的劃分（表3）

表3 施工步驟劃分

3.2.2 穩(wěn)定索索力變化

根據(jù)施工模擬可知，屋蓋受力最大位置為中間榀索桁架處，因索桁架受力對稱，所以提取以下編號位置穩(wěn)定索索段索力進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 中間榀穩(wěn)定索索段編號

穩(wěn)定索編號索段索力變化如圖6所示。由圖可知，對稱位置的索段索力值和均變化趨勢相同。隨著承重索的逐級張拉，索桁架兩端位置穩(wěn)定索索力逐漸下降，中間位置穩(wěn)定索索力逐漸增加。施工步驟10中，承重索張拉到位，各穩(wěn)定索索段索力達(dá)到最大值，后續(xù)步驟索力無明顯變化。各索段索力最大值范圍為180～860kN，與各編號索段索力設(shè)計(jì)值偏差在10%范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求[6]。結(jié)構(gòu)最終成型時(shí)索力呈現(xiàn)從中間向兩端逐漸遞減的特點(diǎn)。

圖6 穩(wěn)定索索段索力變化

3.2.3 承重索索力變化

同理，提取以下編號位置承重索索段的索力進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 中間榀承重索索段編號

承重索編號索段索力變化曲線如圖8所示。由圖可知，對稱位置的承重索索段索力值相同，變化趨勢相近。施工過程中各索段索力逐漸增加，當(dāng)預(yù)應(yīng)力施加到80%時(shí)，承重索各索段索力幾乎相同，施工步驟10中，各索段索力達(dá)到最大值，范圍在5 500～6 300 kN之間，與各編號索段索力設(shè)計(jì)值偏差均在10%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求[6]。

圖8 承重索索段索力變化

由上述穩(wěn)定索和承重索索段索力變化曲線可知，當(dāng)承重索未施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，由于索系自重作用，索桁架中間位置的承重索索段及兩端位置的穩(wěn)定索索段受拉力較大。雖然穩(wěn)定索施加了預(yù)應(yīng)力，但索桁架拉索依然處于“柔”的狀態(tài)，并不具備承受外荷載的能力。隨著承重索的張拉，穩(wěn)定索和承重索各索段之間索力得到平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求索力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)從“柔”到“剛”狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。

3.2.4 索桁架屋面豎向位移變化

通過施工模擬分析可知，索桁架屋面系統(tǒng)在張拉過程中豎向位移變形具有對稱性。豎向位移值呈現(xiàn)屋面中間位置大、屋面四周小的特點(diǎn)。在索系張拉過程中，屋面系統(tǒng)撐桿兩端位置節(jié)點(diǎn)豎向位移變化具有同步性。因此，本文選取屋面系統(tǒng)1/4區(qū)域內(nèi)撐桿上端的6個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如圖9所示。通過分析各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)豎向位移，反映索桁架屋面系統(tǒng)豎向位移變化。

圖9 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)編號

施工過程中各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)豎向位移變化曲線如圖10所示。由圖可知，施工過程中索桁架屋面系統(tǒng)邊節(jié)點(diǎn)豎向位移變化不明顯；中間節(jié)點(diǎn)豎向位移值先減小后增大，方向由下向上。當(dāng)承重索的預(yù)應(yīng)力施加到90%時(shí)，屋面呈現(xiàn)水平狀態(tài)。隨著承重索的張拉到位，中間節(jié)點(diǎn)位移逐漸增大，方向向上。結(jié)構(gòu)成型時(shí)屋面中間位置節(jié)點(diǎn)豎向位移值為118 mm左右，方向向上；邊節(jié)點(diǎn)位移值為5 mm左右，方向向下。最終屋面系統(tǒng)豎向位移滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)豎向位移變化

4 結(jié)論

通過對本索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉屋面系統(tǒng)的施工模擬分析，得到以下結(jié)論。

（1）該類型儲煤倉屋面系統(tǒng)施工時(shí)，可采用“低空組裝索系，整體提升分級張拉”的施工方案。

（2）屋面系統(tǒng)整體提升時(shí)可選擇穩(wěn)定索作為提升載體，提升過程中同時(shí)牽引縱向索和承重索，這樣可以減少施工步驟，有利于后續(xù)索系張拉。

（3）施工過程中，穩(wěn)定索和承重索索力實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，并無出現(xiàn)巨大內(nèi)力，最終索力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工過程安全可行。

（4）施工過程中，屋面系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)豎向位移變化符合變化規(guī)律，最終屋面系統(tǒng)豎向位移值滿足設(shè)計(jì)要求。