合肥新橋機(jī)場航站樓鋼結(jié)構(gòu)拼裝桁架段施工仿真分析

楊 揚(yáng)， 完海鷹， 高 鵬， 李慶鋒， 丁大益， 王元清

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.五洲工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100053；3.清華大學(xué) 土木水利學(xué)院，北京100084）

在結(jié)構(gòu)施工中，構(gòu)件的內(nèi)力往往因施工過程的不斷變化而發(fā)生改變，并且與構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)的內(nèi)力有較大的差別。要保證結(jié)構(gòu)施工過程的順利進(jìn)行，就要對施工過程進(jìn)行仿真分析［1－3］。目前，仿真技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的施工中，尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工［2，4－5］。

本文采用施工仿真中的常用方法［5］來模擬一拼裝［6］桁架段在施工過程中各桿件內(nèi)力的變化情況，分別模擬了桁架段在不同腹桿拼裝順序過程中的內(nèi)力變化情況，以及桁架段在不同脫胎翻轉(zhuǎn)過程和吊裝時(shí)各桿內(nèi)力的變化情況，從而指導(dǎo)實(shí)際施工。

1 合肥新橋機(jī)場航站樓工程概況

合肥新橋國際機(jī)場航站樓總建筑面積為11.2×104m2，為在建新機(jī)場。航站樓橫向長約804m，縱向最大寬度約161m，建筑最大高度約30m，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)分為5區(qū)段，以3區(qū)段中軸線向兩邊呈對稱布置，從3區(qū)向兩側(cè)的1、5區(qū)結(jié)構(gòu)由最大標(biāo)高為30m過渡到17m。通過屋面結(jié)構(gòu)連成整體。1、5區(qū)共2層——3.9m 和7.9m，為鋼管（鋼）柱、H型鋼梁及剛架共同框架結(jié)構(gòu)形式，1區(qū)和5區(qū)基本對稱；2、3、4區(qū)7.9m（3區(qū)局部13.9 m）以下采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部采用鋼管桁架（部分采用箱型梁）到結(jié)構(gòu)兩側(cè)轉(zhuǎn)化為箱型構(gòu)件落地或固結(jié)于下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上；2區(qū)和4區(qū)基本對稱［7］。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

每區(qū)結(jié)構(gòu)各跨跨度及高度均不相同，且剛架梁為弧形梁，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程由浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司施工。

結(jié)構(gòu)施工時(shí)先從1、5區(qū)開始逐漸向2、4區(qū)、最后3區(qū)對稱施工，并且每區(qū)施工時(shí)由中間向兩邊推進(jìn)施工。根據(jù)施工進(jìn)度，本文模擬了3區(qū)剛架中鋼桁架段施工過程的內(nèi)力變化情況。

2 工程實(shí)例及仿真分析

2.1 工程實(shí)例

3區(qū)位于航站樓中部，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)基本獨(dú)立。鋼結(jié)構(gòu)由11榀剛架組成，罩在混凝土結(jié)構(gòu)輪廓之外。剛架柱體部分為箱梁，梁體部分為桁架結(jié)構(gòu)。該區(qū)剛架外輪廓尺寸大，柱距為18m，剛架最大外輪廓超過170m，最大跨度（3－6軸AD跨）為54m。

根據(jù)起重能力，并結(jié)合可以布設(shè)支撐架位置考慮桁架分段，其分段示意圖如圖2所示，跨中短柱代替支撐架，柱和支撐架及支撐架之間梁段為桁架分段。

本文選取3區(qū)最大剛架3－6軸線剛架最大跨度（AD跨）中梁截面尺寸最大的一段桁架分段如圖3所示，其長度約9m，其截面為倒三角形，截面高3m，寬2.2m。本文中模擬在拼接、脫胎翻轉(zhuǎn)及吊裝施工過程中桁架分段各桿件的內(nèi)力變化情況，從而找出合理的施工方法，以保證施工過程的順利進(jìn)行并指導(dǎo)施工。

圖2 3－6軸剛架示意圖

圖3 拼裝桁架段示意圖

2.2 桁架段拼裝過程仿真分析

由于運(yùn)輸及吊裝分段的需要，剛架桁架弦桿分段及腹桿桿件運(yùn)輸至現(xiàn)場后進(jìn)行拼裝。由于本工程桁架為倒三角桁架，且上弦為矩形截面，因此拼裝時(shí)采取大面在下的方式進(jìn)行拼裝，這可以最大可能地保證構(gòu)件拼裝時(shí)的穩(wěn)定。

桁架段在拼裝胎架上進(jìn)行拼裝，拼裝胎架和拼裝示意圖如圖4所示。

圖4 桁架拼裝胎架和拼裝示意圖

先將上、下弦桿吊上胎架按構(gòu)件號排放好，置定位并固定，測量調(diào)整整體位置關(guān)系符合要求后方可焊接。腹桿的拼裝順序有4種，即① 從中間向兩端；② 從兩端向中間；③ 從左端向右端；④從右端向左端。找出內(nèi)力變化較小的一種拼裝順序，從而使構(gòu)件內(nèi)力重分布后對構(gòu)件的變形等影響較小。本文用ETABS軟件中施工順序加載分析來完成桁架段在不同順序拼裝過程中產(chǎn)生的各桿件最大內(nèi)力，見表1所列。

從表1中可看出，由于拼裝過程中只有構(gòu)件自重荷載作用，所以產(chǎn)生內(nèi)力均較?。徊⑶?種拼裝順序下各桿件產(chǎn)生的最大內(nèi)力接近，故拼裝順序?qū)τ跅U件的內(nèi)力影響不大。在實(shí)際施工時(shí)采用從左端向右端的方向進(jìn)行拼裝。

表1 各拼裝順序中桿件的最大內(nèi)力 N

2.3 桁架段脫胎翻轉(zhuǎn)過程仿真分析

桁架段拼裝好后，需將其吊離胎架并翻轉(zhuǎn)為倒三角形截面。在脫胎翻轉(zhuǎn)過程中考慮了2種方案：① 用3根鋼絲繩將桁架段吊至空中脫離胎架，在空中翻轉(zhuǎn)；② 先用2根鋼絲繩將桁架段吊離胎架后放在地面上進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

在第1種脫胎翻轉(zhuǎn)過程中鋼絲繩的位置如圖5所示，在翻轉(zhuǎn)過程中不斷放松繩1，拉緊繩2、繩3，從而將桁架段翻轉(zhuǎn)180°。

圖5 第1脫胎翻轉(zhuǎn)方案吊點(diǎn)位置示意圖

在第2種脫胎翻轉(zhuǎn)過程中，先用2根鋼絲繩綁在下弦圓管截面桿件上，如圖6a所示。將拼裝桁架段吊離胎架置于地面上。后用1根鋼絲繩綁在下弦桿和2根鋼絲繩分別綁在1根上弦桿1／3位置處，如圖6b所示，另1根上弦桿作為轉(zhuǎn)動軸位于地面進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，至下弦桿和作為轉(zhuǎn)動軸的上弦桿都處于地面上時(shí)，改變吊點(diǎn)位置，吊點(diǎn)變?yōu)?個(gè)，分別在上弦桿的兩端節(jié)點(diǎn)處，如圖6c所示，并以下弦桿為轉(zhuǎn)動軸翻轉(zhuǎn)為倒三角形截面。

圖6 第2脫胎翻轉(zhuǎn)方案吊點(diǎn)位置示意圖

2種脫胎翻轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的內(nèi)力變化如圖7所示。

圖7 受力較大桿件在2種脫胎翻轉(zhuǎn)過程的內(nèi)力變化

通過分析2種脫胎翻轉(zhuǎn)過程的內(nèi)力變化可以看出，桿件的內(nèi)力在整個(gè)過程中不斷發(fā)生變化，并且力的方向也發(fā)生了改變。在設(shè)計(jì)中，上弦桿會受壓，下弦桿會受拉；而在翻轉(zhuǎn)過程中會看到，上弦桿和下弦桿都會有受拉受壓變化。通過比較可以看出，方法Ⅰ產(chǎn)生的內(nèi)力比方法Ⅱ產(chǎn)生的內(nèi)力較大，尤其對實(shí)際受拉的下弦桿會產(chǎn)生較大的壓力；而上弦桿和8號腹桿的內(nèi)力降低最多，上弦桿從 －22.8kN 降 為 －3.7kN，8 號 腹 桿 從－22.2kN降為－5.4kN；對于10號腹桿，降低較少，其最大壓力在2種方法中接近。通過對其他桿件的內(nèi)力比較得出，采用方法Ⅱ，弦桿和大多數(shù)腹桿的內(nèi)力均較小，并且波動范圍非常小；而桁架段兩端的腹桿最大壓力與方法Ⅰ接近，近10 kN，當(dāng)桁架段吊離胎架剛開始翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生。此時(shí)受力最大桿件為桁架段兩端的腹桿，在翻轉(zhuǎn)過程要注意其安全性，尤其剛開始翻轉(zhuǎn)時(shí)?？偟膩碚f其受力與實(shí)際受力相比較小，能滿足受力要求。

方法Ⅰ計(jì)算的最大變形為－1.46mm；方法Ⅱ計(jì)算的最大變形為－1.85mm，可見2種方法的最大變形接近且較小。

通過以上分析，由于第2種脫胎翻轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生內(nèi)力較小，故在實(shí)際的施工中，拼裝桁架段采用方法Ⅱ進(jìn)行脫胎翻轉(zhuǎn)。在翻轉(zhuǎn)過程避免構(gòu)件尤其作為轉(zhuǎn)動軸的弦桿發(fā)生碰撞而變形，從而影響整體拼裝。弦桿的截面尤其是上弦桿方形截面的棱角注意保護(hù)不要受到削弱，從而降低其承載力。再者施工時(shí)起吊力要控制合適以保證轉(zhuǎn)動軸的弦桿與地面接觸。而在空中翻轉(zhuǎn)只需保證構(gòu)件在轉(zhuǎn)動過程保持平衡和穩(wěn)定，且對構(gòu)件沒有較大的傷害。但對于吊車的控制要求比較高，且施工過程用時(shí)較長。

2.4 吊點(diǎn)位置的仿真分析

在進(jìn)行大跨度平面和空間桁架結(jié)構(gòu)的吊裝時(shí)，吊裝點(diǎn)的選擇是重點(diǎn)。不同位置、不同數(shù)量的吊裝點(diǎn)選擇，對吊裝單元內(nèi)桿件的受力及變形可能有較大的影響，因此確定吊裝單元的吊裝點(diǎn)對結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要［8］。

在吊裝過程中，吊點(diǎn)位置桁架段內(nèi)力圖如圖8所示。在上弦桿節(jié)點(diǎn)處，通過計(jì)算可以看出，吊點(diǎn)位置在兩端時(shí)，上弦桿受力較小，且弦桿受力方向與設(shè)計(jì)受力方向一致。而吊點(diǎn)位置在中間時(shí)，下弦桿會受到較大壓力。故施工時(shí)吊點(diǎn)位置取在桁架段兩端節(jié)點(diǎn)處，這樣各桿件受力與實(shí)際使用時(shí)受力一致。

圖8 不同吊點(diǎn)位置桁架段內(nèi)力圖

3 結(jié)束語

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工是一個(gè)持續(xù)的過程，在該過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的桿件內(nèi)力和位移是不斷變化的。對于每個(gè)階段的內(nèi)力和位移計(jì)算，需要找到施工過程中最危險(xiǎn)的階段進(jìn)行精確控制，以確保施工結(jié)構(gòu)安全［8－9］。

根據(jù)施工進(jìn)度及要求，本文對最大軸3－6軸剛架中的截面尺寸最大的一段拼裝桁架，進(jìn)行了施工過程的仿真分析，并將其應(yīng)用于具體的實(shí)際結(jié)構(gòu)施工中。桁架段在拼裝過程中腹桿拼裝順序?qū)τ跅U件內(nèi)力的影響較小。

桁架段脫胎翻轉(zhuǎn)過程中，對于大多數(shù)桿件采用地面翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的內(nèi)力比在空中翻轉(zhuǎn)降低很多，而對于兩端腹桿降低較小，且施工時(shí)應(yīng)注意轉(zhuǎn)動弦桿的安全和受力最大的兩端腹桿在相應(yīng)的施工階段的安全。桁架段吊裝施工時(shí)，吊點(diǎn)位置在兩端時(shí)各桿件受力與實(shí)際桿件受力一致。

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