大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程模擬及監(jiān)測(cè)

汪永平

大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程模擬及監(jiān)測(cè)

汪永平

Da kua du kong jian gang jie gou shi gong guo cheng mo ni ji jian ce

隨著科學(xué)技術(shù)的日益快速發(fā)展，為了滿(mǎn)足人們對(duì)結(jié)構(gòu)越來(lái)越高的要求，先后出現(xiàn)了各種大規(guī)模和復(fù)雜形式的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)具有受力性能良好、建筑優(yōu)美和跨越能力大等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性、安全性和實(shí)用性。隨著近年來(lái)高鐵項(xiàng)目的規(guī)模建設(shè)，一些具有跨度大、高度高、面積大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高鐵站房鋼桁架結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)相繼建成。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程模擬實(shí)際上就是按照特定的安裝工況，計(jì)算結(jié)構(gòu)在建造過(guò)程中的內(nèi)力和變形，為施工過(guò)程的合理性提供理論依據(jù)。本文以蕪湖市高鐵站房鋼桁架屋蓋系統(tǒng)實(shí)際工程為例，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行全過(guò)程模擬分析，為合理施工以及其后的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

一、工程概況

蕪湖高鐵站位于蕪湖市中心，采用上進(jìn)下出似飛機(jī)場(chǎng)的下客運(yùn)輸模式。蕪湖高鐵站站房面積約5萬(wàn)平方米，東西長(zhǎng)約268米，是皖南地區(qū)最大的高鐵車(chē)站。蕪湖高鐵站鋼桁架屋蓋系統(tǒng)總長(zhǎng)度255.7米，寬度128米至165米，水平投影總面積為39000平方米。其主桁架最大單跨達(dá)63米，大部分的桁架截面型式為倒三角，即采用兩根上弦桿和一根下弦桿、三面設(shè)置腹桿組成三角形截面的空間桁架結(jié)構(gòu)。整體屋蓋系統(tǒng)不設(shè)置變形縫。

蕪湖高鐵站整體設(shè)計(jì)大氣磅礴，造型之中既有現(xiàn)代動(dòng)感的線(xiàn)條，也有徽州古民居的寫(xiě)意與凝重，體現(xiàn)蕪湖開(kāi)放、包容、創(chuàng)新的城市品質(zhì)。蕪湖高鐵站的建筑效果和結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 蕪湖市高鐵站站房

蕪湖高鐵站房總體施工思路：根據(jù)蕪湖高鐵站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工關(guān)鍵點(diǎn)，在施工圖深化中將桁架作為吊裝單元，分解為能夠運(yùn)輸、方便對(duì)接的分段；在工廠(chǎng)拼裝單元分段；現(xiàn)場(chǎng)將分段組裝成吊裝單元（局部采用現(xiàn)場(chǎng)原位拼裝）、采用大型履帶吊將單元吊裝就位。施工現(xiàn)場(chǎng)采用型鋼胎架作為吊裝單元的支撐，待屋蓋結(jié)構(gòu)安裝完成后整體同步卸載。

二、蕪湖高鐵站鋼桁架屋蓋系統(tǒng)施工過(guò)程有限元分析

1.大跨度空間結(jié)構(gòu)考慮施工工況的計(jì)算方法及步驟

假設(shè)某大跨度結(jié)構(gòu)可以分成n個(gè)單元，分別由1，2，3，…，n個(gè)步驟完成施工。在大跨度結(jié)構(gòu)的施工步驟中，其有限元基本計(jì)算方程和內(nèi)力計(jì)算方程為：

施工第一子步：K1U1=P1 （2-1）

施工第二子步：（K1+K2） U2=P2 （2-3）

N2=k2A2U2 （2-4）

施工第n子步: （K1+K2+…+Kn） Un=Pn （2-5）Nn=knAnUn （2-6）

以上的式中：Ki表示施工步中第i個(gè)單元塊結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣；ki表示施工步中不完整結(jié)構(gòu)的桿單元?jiǎng)偠染仃嚕籙i表示施工步中不完整結(jié)構(gòu)的位移向量；Pi表示施工步中第i個(gè)單元塊結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)力向量；Ai表示施工步中不完整結(jié)構(gòu)的幾何矩陣；Ni表示施工步中不完整結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力向量。

結(jié)構(gòu)的最終位移為：

式中：U表示節(jié)點(diǎn)位移向量；N表示結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力向量。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中有限元基本計(jì)算方程和內(nèi)力計(jì)算方程為：

式中：K表示整體結(jié)構(gòu)總剛度矩陣；k表示桿單元?jiǎng)偠染仃?；P表示整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)向量；A表示整體結(jié)構(gòu)的幾何矩陣。

由以上分析可知，考慮施工過(guò)程的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法與傳統(tǒng)的方法相比較，其更加符合實(shí)際，取得的結(jié)果更加準(zhǔn)確。不僅可以得到總的狀態(tài)變量，還可以提取任意施工步驟下的內(nèi)力、變形等狀態(tài)變量。

2.模型建立

根據(jù)新建蕪湖高鐵站鋼桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用有限元分析軟件ANSYS中的LINK180單元來(lái)模擬鋼桁架結(jié)構(gòu)桿件單元；用BEAM188單元來(lái)模擬支撐柱結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型整體坐標(biāo)系的X軸與圖紙距離H軸7.75m的軸線(xiàn)重合（+X從7軸到1軸），整體坐標(biāo)系的Y軸位于圖紙7軸與8軸正中（+Y從H軸線(xiàn)到A軸線(xiàn)），整體坐標(biāo)系的Z軸沿豎直方向（+Z從下到上），坐標(biāo)原點(diǎn)位于±0.000處。

蕪湖高鐵站房屋蓋系統(tǒng)整個(gè)模型共有BEAM188單元86個(gè)，LINK180單元17476個(gè)。模型的建立基本依據(jù)圖紙的要求，桁架桿件單元按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，對(duì)相關(guān)的桿件尺寸進(jìn)行統(tǒng)一處理。桁架架設(shè)時(shí)依據(jù)圖紙依次設(shè)置，運(yùn)用單元特性進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行加載與后處理。蕪湖高鐵站鋼桁架屋蓋系統(tǒng)整體有限元模型如圖2所示。

圖2 蕪湖高鐵站房屋蓋系統(tǒng)整體有限元模型

3.施工過(guò)程模擬

由于蕪湖市高鐵站房是在原蕪湖火車(chē)站舊址上新建的，所以鋼桁架屋蓋施工方案是先建成原火車(chē)站一側(cè)的主體結(jié)構(gòu)后，再在火車(chē)站舊址上修建另一半對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。本次施工模擬取屋蓋系統(tǒng)的一半結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象（H軸至Q軸），如圖3所示。

圖3 蕪湖高鐵站對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)屋蓋系統(tǒng)實(shí)際的施工順序，將結(jié)構(gòu)的施工模擬過(guò)程分為六個(gè)工況，具體工況介紹如下：

工況1：橫向H軸的鋼桁架ZWJ5、J軸的鋼桁架ZWJ6以及介于H軸和J軸之間的鋼桁架CWJ13、CWJ14和CWJ15的施工；縱向1軸的鋼桁架BWJ5、4軸的鋼桁架JWJ13和5軸的鋼桁架JWJ5的施工。

工況2：橫向K軸的鋼桁架ZWJ12、ZWJ10和ZWJ7的施工；縱向1軸的鋼桁架BWJ6、4軸的鋼桁架JWJ14和5軸的鋼桁架JWJ6的施工。

工況3：橫向L軸的鋼桁架ZWJ8以及介于K軸和L軸之間的鋼桁架CWJ16、CWJ17和CWJ18的施工；縱向1軸的鋼桁架BWJ7、4軸的鋼桁架JWJ15和5軸的鋼桁架JWJ7的施工。

工況4：橫向N軸的鋼桁架CWJ4a、CWJ5a和CWJ6a以及介于N軸和L軸之間M軸的鋼桁架CWJ7a、CWJ8a和CWJ9a的施工；縱向1軸的鋼桁架BWJ8、4軸的鋼桁架JWJ16和5軸的鋼桁架JWJ8的施工。

工況5：橫向Q軸的鋼桁架ZWJ1a以及介于N軸和Q軸之間P軸的鋼桁架CWJ1a、CWJ2a和CWJ3a的施工；縱向1軸的鋼桁架BWJ8、4軸的鋼桁架JWJ16和5軸的鋼桁架JWJ8的施工，2軸鋼桁架XWJ1a、XWJ2a和XWJ3a，7軸的鋼桁架XWJ4a和XWJ5a的施工。

工況6：卸載階段。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)全部完成后，拆除胎架。

屋蓋系統(tǒng)在上述六個(gè)工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分別如圖4和圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)位移圖

通過(guò)以上的分析，可以獲得屋蓋系統(tǒng)在六個(gè)施工工況下的最大變形值和最大應(yīng)力值，如表1所示。

表1 鋼桁架屋蓋系統(tǒng)在六種工況下的最大位移值和應(yīng)力值

計(jì)算結(jié)果表明，鋼桁架屋蓋系統(tǒng)的主要受力構(gòu)件施工過(guò)程中應(yīng)力水平較低。局部桿件的最大壓應(yīng)力為120.7MPa，其出現(xiàn)在7軸的鋼桁架XWJ4a和XWJ5a的施工網(wǎng)格梁上，對(duì)應(yīng)的是工況6。在工況6對(duì)應(yīng)的卸載階段，隨著承重支架的逐漸減少，鋼桁架梁的撓度在逐漸增大，最大的豎向變形值為59mm，約為相應(yīng)跨度的1/2800，位于4軸的鋼桁架JWJ16和Q軸的鋼桁架XWJ4a交點(diǎn)附近。計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和施工要求。

4．施工監(jiān)測(cè)

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取鋼桁架屋蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)若干主要受力構(gòu)件的應(yīng)力觀(guān)測(cè)點(diǎn)。實(shí)測(cè)每個(gè)工況下觀(guān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，然后與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

由上面施工過(guò)程分析中的數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合設(shè)計(jì)單位的建議，在主桁架梁ZWJ5和ZWJ6上布置兩個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)、次桁架梁CWJ13和CWJ14上布置兩個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。采用電阻應(yīng)變片以及靜態(tài)應(yīng)變儀等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。本次實(shí)驗(yàn)采用的是由江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀，其是全智能化的巡回?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置以及應(yīng)變片的布置形式分別如圖6和圖7所示。

圖6 應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖7 應(yīng)變片布置形式

為了較好的掌握鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位在施工階段的受力情況，在施工階段的各個(gè)工況中，對(duì)主要受力構(gòu)件的應(yīng)力數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。分析結(jié)論如

下：

（1）主桁架梁ZWJ5和ZWJ6上的應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)：

主桁架梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)工況下應(yīng)力的模擬值與監(jiān)測(cè)值如表2所示。

表2 主桁架梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)工況下應(yīng)力的模擬值與監(jiān)測(cè)值

主桁架梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)各工況應(yīng)力實(shí)測(cè)值與模擬值分析結(jié)果的對(duì)比曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 各工況應(yīng)力實(shí)測(cè)值與模擬值曲線(xiàn)圖（主桁架梁）

（2）次桁架梁CWJ13和CWJ14上的應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)：

次桁架梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)工況下應(yīng)力的模擬值與監(jiān)測(cè)值如表3所示。

表3 次桁架梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)工況下應(yīng)力的模擬值與監(jiān)測(cè)值

次桁架梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)各工況應(yīng)力實(shí)測(cè)值與模擬值分析結(jié)果的對(duì)比曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 各工況應(yīng)力實(shí)測(cè)值與模擬值曲線(xiàn)圖（次桁架梁）

由表2、表3、圖8和圖9可以得出：

①鋼桁架ZWJ5、ZWJ6、CWJ13和CWJ14的應(yīng)力值在工況6以前（胎架支撐拆除前）的變化比較緩慢。在胎架支撐拆除后應(yīng)力出現(xiàn)陡降，說(shuō)明鋼桁架ZWJ5、ZWJ6、CWJ13和CWJ14在整個(gè)屋蓋系統(tǒng)中承受較大的作用力，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和整體穩(wěn)定性起著重要的作用。

②各個(gè)工況應(yīng)力實(shí)測(cè)值和模擬值具有一定的偏差，且誤差都在10%以?xún)?nèi)（主桁架為5.9%，次桁架為7.2%），證明本文的施工模擬分析是可行的。在施工過(guò)程中，不能忽視施工過(guò)程中的“路徑”和“時(shí)間”效應(yīng)。

③各工況應(yīng)力實(shí)測(cè)值和模擬值的總體變化趨勢(shì)基本相同，工況6中的實(shí)測(cè)值與模擬值非常接近，說(shuō)明施工過(guò)程模擬對(duì)實(shí)際工程施工具有一定的參考價(jià)值。

三、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)蕪湖市高鐵站鋼桁架屋蓋系統(tǒng)大跨度空間鋼桁架結(jié)構(gòu)，利用ANSYS有限元建立鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程模型，將各個(gè)工況下的實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行比較分析。施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值和模擬分析值計(jì)算結(jié)果吻合良好，均滿(mǎn)足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。施工過(guò)程分析結(jié)果表明采用有限元的方法對(duì)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全過(guò)程模擬分析是可行的，為本項(xiàng)目后期施工及其它大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工提供了參考。

（作者單位：寧安鐵路有限責(zé)任公司）