大跨度雙曲線鋼結構施工過程模擬分析

張偉超，張磊，王磊，董自運，古松，呂勇康

(1.中鐵建工集團有限公司，北京 100160；2.中鐵建工集團第三建設有限公司，天津 300451；3.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

1 引言

近年來，大跨度鋼結構因其具有自重輕、受力合理以及造型美觀等優點在大型場館設計中應用廣泛[1-3]，其發展應用水平已成為衡量一個國家建筑科學水平的重要標志之一[4]。而大跨度鋼結構的施工過程是結構體系和受力狀態不斷變化的過程，結構最終成型質量與施工過程中的路徑和時間有密切的關系，若某一時刻結構受力與變形超限，將直接影響結構成型質量，甚至導致施工坍塌事故[5]。

施工過程分析是大跨度鋼結構施工技術的重要研究內容[6-7]。現有研究多基于有限元法，并結合生死單元技術對復雜大跨度鋼結構的施工過程展開模擬分析[8-10]，獲得各施工階段桿件的內力和變形，確保結構在施工過程中的安全性與成型質量。隨著大跨度鋼結構形狀趨于復雜，施工過程中的坍塌事故仍時有發生[11-12]，因此，有必要對大跨度鋼結構的施工過程進行分析研究。本文依據拉薩某大型醫院項目中的大跨度雙曲線鋼結構，利用Midas 軟件對其施工全過程進行詳細分析，確保各施工階段結構的安全性與成型質量，為此類結構的工程設計與施工過程分析研究提供可參考的依據。

2 工程概況

該醫院項目位于拉薩市堆龍德慶區，一期總用地面積200 000 m2，總建筑面積121 450 m2，建筑高度為42.2 m，建設內容包括醫療綜合樓(包括住院樓、醫技樓以及門診樓)、感染樓以及污水處理站等建筑，將建成一所集醫、教、科為一體的三級甲等醫院，是西藏三大民生工程之一，項目效果見圖1。

大跨度雙曲線鋼結構作為醫療綜合樓的金屬屋面鋼骨架，位于門診樓和醫技樓之間且左右對稱，單側重54.8 t，長77.65 m，高為18.95～22.85 m，縱橫向截面尺寸均為曲線變化。主要桿件為箱形桿件和鋼管混凝土柱，鋼材材質為Q355B。采用整體拼裝、分段吊裝的原則對大跨度雙曲線鋼結構進行施工，共分3 段吊裝，質量分別為19.4 t、16.8 t 以及18.6 t，考慮1.4 的動荷載系數，主要采用一臺130 t 的汽車吊完成吊裝。

3 有限元模型的建立

基于有限元單元法，利用Midas 軟件對大跨度雙曲線鋼結構的施工過程展開分析。其中結構組、荷載組以及邊界組的定義，是影響施工過程分析精度的控制因素[13]。有限元模型如圖2所示，所有桿件均采用梁單元建模，其中鋼管混凝土柱截面類型為組合截面。整個施工過程包含4 個安裝階段和1 個胎架拆除階段。對于邊界條件，胎架與曲線鋼桁架采用彈性連接中的剛性連接，其余約束如圖2所示。荷載工況類型均為施工階段荷載，包含自重、風荷載以及溫度荷載，其中風荷載根據建筑荷載規范求出標準值，再換算成桿件上線荷載。溫度荷載考慮5～30℃的升溫[14-15]。

4 結果分析

大跨度雙曲線鋼結構施工過程包括胎架拆除前后的5 個施工階段，荷載組合系數[16]如表1所示。

表1 荷載組合系數

表1中STL ENV_STR 為承載力極限狀態的荷載組合，STL ENV_SER 為正常使用極限狀態的荷載組合，最不利荷載組合為gLCB1。最不利組合荷載下各施工階段的結構撓度和應力極值如表2所示。

表2 撓度和應力極值

從表2中可看出，臨時胎架拆除前的第三施工階段結構撓度和應力值最大，其分布圖見圖3。臨時胎架拆除后，結構跨中撓度值達到90 mm，小于規范中1/250 跨徑的容許撓度值；結構局部桿件應力值達到299 MPa，小于Q355B 鋼材的設計強度315 MPa，滿足結構安全性的要求，其變形與應力分布如圖4所示。

從圖3a 中可看出，在第三施工階段，花瓶形鋼架變形很小，曲線桁架則出現了較大的向下撓度變形，其中第一段曲線桁架中部上弦桿的撓度值達到12.9 mm，但小于規范中1/250跨徑的容許撓度值。從圖3b 中可看出，結構最大拉應力為77.4 MPa，出現在花瓶形鋼架與第一段桁架連接區域左側□100 mm×8 mm 的箱型上弦桿上； 最大壓應力為98.1 MPa，出現在中間胎架頂部H300 mm×200 mm 的H 型鋼上。因此，胎架拆除前撓度和應力最大的第三施工段的結構滿足成型質量和施工安全要求。

從圖4a 中可看出，臨時胎架拆除后，整體結構撓度變形值達到90 mm，出現在跨中上弦桿交接處，仍小于規范中1/250 跨徑的容許撓度值。在工程設計時，曲線鋼桁架的預拱值可取100 mm，滿足規范中1/300 跨徑限值的要求。圖4b 中可看出，整體結構最大拉應力為254.4 MPa，出現在圖3b 中連接區域左側上弦桿上；最大壓應力為299.0 MPa，出現在與最大拉應力上弦桿相鄰的□100 mm×8 mm 桁架腹桿上。因此，該大跨度雙曲線鋼結構的工程設計和分段吊裝方案是合理的。

在工程計算時，一般按照一次成型加載方式計算結構變形和內力。為比較考慮施工過程計算模型與一次成型加載計算模型的區別，相同荷載與約束條件下一次成型加載模型計算結果如圖5所示。

從圖5a 中看出，一次成型加載下，整體結構跨中撓度值為96.3 mm。從圖5b 中看出，整體結構最大拉應力值271.7 MPa，與圖4b 中最大壓應力出現位置一致，均為連接區域□100 mm×8 mm 桁架腹桿上；最大壓應力值為201.9 MPa，出現在曲線鋼桁架最右側支座處。

通過比較圖5與圖4可以看出，一次成型加載模型的最大撓度較考慮施工過程計算模型增大了6.3 mm，花瓶形鋼架撓度變形較小，考慮施工過程計算模型的撓度變形更為合理；在應力分布方面，一次成型加載模型的應力最大值比考慮施工過程計算模型減小了27.3 MPa，最大應力值均出現在連接區域□100 mm×8 mm 桁架腹桿上，但一個受拉一個受壓，根據連接區域桿件構造和荷載情況，該腹桿受壓更為合理。兩種加載方式下，整個結構桿件應力差值主要集中在花瓶形鋼架及其與桁架的連接區域，其中最大桿件應力差達到77.2 MPa，出現在花瓶形鋼架底部?；ㄆ啃武摷茏蟀雮葪U件應力小于一次加載模型，但花瓶形鋼架右半側因分段施工的影響而大于一次加載模型。此外，胎架支承位置的桿件應力值明顯大于一次加載模型，更加符合實際情況。第三段曲線桁架最終合攏區域的桿件應力值明顯小于一次加載模型。因此，考慮施工過程的計算模型更加合理有效，對施工的指導性更強。

5 豎向支承結構穩定性分析

豎向支承結構的穩定性直接影響大跨度雙曲線鋼結構的施工安全與結構成型質量，有必要對胎架和鋼管混凝土柱進行穩定性分析。第四施工階段中第三段曲線鋼桁架吊裝到位后，胎架受力最不利；胎架拆除后，鋼管混凝土柱受力最不利，兩者的穩定性分析結果見圖6。

從圖6a 中可看出，在第四施工階段，胎架的臨界荷載系數為6.5，大于4.0，滿足施工過程中的臨時胎架穩定性要求。從圖6b 中可看出，曲線鋼桁架合龍成型后，第三段曲線鋼桁架的鋼管混凝土柱的臨界荷載系數為9.3，大于4.0，滿足施工過程中鋼管混凝土柱穩定性要求。因此，包括臨時胎架和鋼管混凝土柱在內的豎向支承結構穩定性較高，滿足大跨度雙曲線鋼結構施工對豎向支承結構的穩定性要求，保證了結構的施工安全和成型質量。

6 結論

本文基于有限單元法和生死單元技術，利用Midas 軟件對拉薩某大型醫院項目中的大跨度雙曲線鋼結構施工過程展開分析，共涉及5 個施工階段，得到如下結論：

1）胎架拆除前，各施工階段結構撓度值小于13 mm，且結構應力值在100 MPa 內。胎架拆除后，結構撓度極值為90 mm，結構應力極值為299 MPa，建議曲線鋼桁架預起拱值為100 mm。

2）臨時胎架和鋼管混凝土柱在最不利荷載下的臨界荷載系數大于4.0，滿足整體結構分段施工對豎向支承結構的穩定性要求。

3）各施工階段的撓度變形、應力幅值以及豎向支承結構的穩定性均滿足結構施工安全與成型質量要求，大跨度雙曲線鋼結構的工程設計和分段吊裝方案是合理的。

4）一次成型加載模型的跨中撓度值比考慮施工過程計算模型大6.3 mm，而最大應力值減小了27.3 MPa，則考慮施工過程的計算模型更加合理有效，對大跨構施工的指導性更強。