大跨度拱形鋼網(wǎng)架滑移施工全過(guò)程 仿真分析關(guān)鍵技術(shù)

張文學(xué)

中鐵建工集團(tuán)有限公司 北京 100160

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，這種結(jié)構(gòu)整體性好、剛度大、抗震性能好，廣泛應(yīng)用于鐵路站房、機(jī)場(chǎng)、會(huì)議中心、體育場(chǎng)館等大型公共建筑中。由于大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)成形過(guò)程一般是通過(guò)高空散裝、整體（或分條分塊）吊裝、整體（或部分）滑移、整體提升（或頂升）等施工技術(shù)從零散構(gòu)件逐漸安裝形成最終結(jié)構(gòu)整體的過(guò)程，在施工過(guò)程或成形后存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，例如結(jié)構(gòu)失去平衡而傾覆，或由于結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定而倒塌，或由于局部構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不足而破壞，也可能成形后的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)，造成結(jié)構(gòu)使用階段的安全隱患。因此，施工技術(shù)人員需要了解結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)狀態(tài)及結(jié)構(gòu)性能，正確選擇結(jié)構(gòu)成形及施工方法，確保施工安全與工程質(zhì)量[1-2]。

1 工程概況

廈門站站房平面呈矩形，南北長(zhǎng)約206 m、東西寬約145 m，設(shè)南北站房并與跨越股道的高架候車廳連接為一體，主站房建筑規(guī)模約27 581.5 m2（圖1）。站房屋蓋采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，站房屋蓋整體呈拱形，拱頂最大高度31.0 m，整個(gè)屋蓋水平投影面約117 m×188 m。屋蓋采用四角錐焊接空心球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸（4.0～4.5）m×（4.0～4.5）m。網(wǎng)架高度沿橫向變化，跨中高3.0 m，邊跨高2.4 m。沿縱向布置8榀V形鋼箱柱用于支承網(wǎng)架屋蓋，V形柱跨度67.00 m，鋼網(wǎng)架跨度20.23 m＋51.20 m＋20.23 m（圖2、圖3）。

圖1 廈門站工程效果圖

圖2 站房鋼網(wǎng)架三維透視圖

圖3 站房鋼網(wǎng)架斷面

2 施工難、重點(diǎn)分析

1）站房屋蓋安裝區(qū)域面積大、安裝場(chǎng)地有限，鐵路股道施工期間需要轉(zhuǎn)線，采取分區(qū)累積滑移施工，施工組織及安裝精度上有一定難度。

2）大跨度拱形網(wǎng)架滑移施工存在水平力釋放情況，拱結(jié)構(gòu)受力與設(shè)計(jì)狀態(tài)不盡一致，如何控制拱結(jié)構(gòu)桿件施工過(guò)程及成形后內(nèi)力的變化，確保施工安全與質(zhì)量是施工控制重點(diǎn)。

3 施工總體部署

網(wǎng)架高空滑移總體思路如下：網(wǎng)架屋蓋以F軸為分界線，劃分為南、北2個(gè)滑移施工區(qū)域，如圖4所示；對(duì)南、北兩區(qū)網(wǎng)架進(jìn)行分段，作為累積滑移施工的滑移單元，北區(qū)分段如圖5所示，南區(qū)分段如圖6所示；對(duì)南、北區(qū)分段網(wǎng)架進(jìn)一步進(jìn)行分塊，作為地面拼裝最小構(gòu)件單元，最后在高空施工平臺(tái)進(jìn)行分段拼裝；利用縱向V形柱＋臨時(shí)支撐作為滑移軌道支撐柱，設(shè)置4條滑移軌道，滑移軌道及支撐布置如圖7、圖8所示；分區(qū)進(jìn)行累計(jì)滑移施工，兩區(qū)合龍部位采用散吊桿件安裝。最終合成結(jié)構(gòu)整體，檢驗(yàn)合格后進(jìn)行卸載。

圖4 站房鋼網(wǎng)架分區(qū)示意

圖5 北區(qū)網(wǎng)架分段區(qū)示意

圖6 南區(qū)網(wǎng)架分段區(qū)示意

圖7 滑移軌道及支撐布置示意

圖8 滑移軌道及支撐布置軸測(cè)示意

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工全過(guò)程仿真分析原理

鋼屋蓋為正交正方四角錐曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，矢高9.8 m，跨度91.6 m（外側(cè)支座跨度），結(jié)構(gòu)上部分存在拱的受力特性，與常規(guī)平面網(wǎng)架受力有所不同，需對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和V形柱的受力機(jī)理做深入分析研究。

由于滑移工況與設(shè)計(jì)工況的加載形式不同，施工階段會(huì)影響網(wǎng)架的應(yīng)力，因此需要對(duì)整體結(jié)構(gòu)做施工全過(guò)程仿真分析。首先模擬施工階段拱形網(wǎng)架在自重荷載作用下，在滑移支座支撐（簡(jiǎn)支約束狀態(tài)）工況下的應(yīng)力變形分布，其次模擬V形柱與網(wǎng)架支座連接后，除自重荷載外其他設(shè)計(jì)荷載加載工況下的應(yīng)力變形分布。真實(shí)反映施工殘余應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)力疊加作用。

如圖9受力分析，網(wǎng)架在自重（包括屋面附屬結(jié)構(gòu)）工況下，由于拱效應(yīng)作用，網(wǎng)架支座會(huì)產(chǎn)生水平反力Fa，此反力由V形柱提供，柱頂水平荷載Pa＝Fa，形成了V形柱和網(wǎng)架共同受力的結(jié)構(gòu)模式。

實(shí)際上采用滑移施工時(shí)，臨時(shí)滑靴側(cè)向基本沒有約束，無(wú)法對(duì)網(wǎng)架提供水平橫向約束。在網(wǎng)架自重工況下，如圖10，支座水平反力Fa＝0，支座產(chǎn)生了橫向變形Xa，此時(shí)拱效應(yīng)無(wú)法形成，網(wǎng)架跨中網(wǎng)架受力增大。V形柱頂水平反力消失，由于V形柱傾斜受力，在網(wǎng)架支座反力Na的作用下，V形柱彎矩大于圖9中設(shè)計(jì)狀態(tài)Na、Pa共同作用下的彎矩。

圖9 網(wǎng)架V形柱設(shè)計(jì)狀態(tài)整體受力分析

圖10 滑移施工V形柱受力分析

4.2 施工全過(guò)程仿真分析

對(duì)比滑移施工工況和設(shè)計(jì)共同受力工況，滑移工況下的網(wǎng)架跨中彎矩增加，跨中桿件應(yīng)力增加，網(wǎng)架下?lián)显龃?，V形柱彎矩增加。因此，需要對(duì)網(wǎng)架做整體施工全過(guò)程進(jìn)行模擬分析，分階段加載，首先模擬網(wǎng)架部分在自重荷載下，在滑移支座支撐（簡(jiǎn)支約束狀態(tài)）工況下的應(yīng)力變形分布，再模擬V形柱與網(wǎng)架支座連接后，除自重荷載外其他荷載加載工況下的應(yīng)力變形分布。根據(jù)屋蓋網(wǎng)架累積滑移施工順序，對(duì)下部混凝土框架、V形柱、屋蓋網(wǎng)架整體建模，分3個(gè)施工階段，進(jìn)行施工全過(guò)程模擬以校核屋蓋結(jié)構(gòu)（包括V形柱）滑移法施工成形后疊加設(shè)計(jì)使用狀態(tài)下的滑移結(jié)構(gòu)自重外的載荷，對(duì)超限桿件予以替換。具體如下：

第一施工階段：按累積滑移施工順序，分析屋蓋網(wǎng)架在臨時(shí)滑靴豎向支撐下的受力。累積滑移施工步驟較多，圖11為第一階段累積滑移施工4個(gè)過(guò)程截圖。

圖11 第一階段累積滑移施工過(guò)程

第二施工階段：網(wǎng)架支座滑移至V形柱頂，支座橫向無(wú)約束。模型中設(shè)置短柱來(lái)模擬滑靴特性（圖12），短柱橫向的抗剪剛度設(shè)置一個(gè)很小的略大于0的數(shù)值。此模型中，V形柱只承受滑移支座傳遞的豎向反力，橫向水平力為零。網(wǎng)架滑靴橫向變形17 mm，V形柱頂－33 mm，兩者的橫向變形值不同，相差50 mm，變形方向也符合前文的受力分析結(jié)果（圖13、圖14）。

圖12 模型模擬桿件示意

圖13 網(wǎng)架滑靴變形示意

圖14 V形柱頂變形示意

第三施工階段：V形柱連接段連接V形柱和網(wǎng)架支座焊接球，刪除滑靴短柱。此時(shí)，網(wǎng)架支座橫向變形已經(jīng)完成，與V形柱焊接固定，完成原設(shè)計(jì)連接方式（圖15）。

圖15 網(wǎng)架與V形柱固定變形示意

第四施工階段：加載屋面、吊頂、風(fēng)載等載荷，輸入地震荷載，并輸入相關(guān)組合，驗(yàn)算校核網(wǎng)架桿件的應(yīng)力比，網(wǎng)架的下弦桿件應(yīng)力比增加較明顯，部分桿件超出許用應(yīng)力比，桿件的應(yīng)力比最大值約1.10，經(jīng)設(shè)計(jì)審核確認(rèn)，置換桿件數(shù)量96根，約占網(wǎng)架桿件總數(shù)的0.89%。V形柱的最大應(yīng)力比為0.865，滿足設(shè)計(jì)限值要求。

4.3 網(wǎng)架滑移計(jì)算

4.3.1 滑移施工起動(dòng)推力計(jì)算

網(wǎng)架累積滑移采用常用的計(jì)算機(jī)控制，液壓頂推的方式，滑動(dòng)摩擦最大起動(dòng)推力F=μ×G。式中：μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù)，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，滑動(dòng)摩擦因數(shù)取0.2；G為滑移網(wǎng)架自重。根據(jù)施工總部署，將網(wǎng)架屋蓋劃分為南、北2個(gè)滑移施工區(qū)，滑移北區(qū)需要的水平推力最大。北區(qū)網(wǎng)架自重約為1 500 t（含檁條、馬道、天窗），水平推力F北= 0.2×1 500 t=300 t，布置6臺(tái)100 t油缸，總計(jì)頂推力600 t，滿足要求。

4.3.2 滑移支座設(shè)計(jì)及受力計(jì)算

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)通過(guò)滑移臨時(shí)支座支承在軌道上，支座側(cè)向擋塊與軌道邊緣距離為30 mm，由施工過(guò)程仿真結(jié)果可知，滑移工況下，滑移支座最大的水平位移不超過(guò)21 mm，因此軌道擋塊與軌道邊緣的距離，能夠保證結(jié)構(gòu)在滑移施工中水平力得以釋放，不會(huì)對(duì)軌道及支撐系統(tǒng)上產(chǎn)生過(guò)大的側(cè)向水平推力。同時(shí)，為了防止滑移支座與滑移軌道發(fā)生“卡啃”現(xiàn)象，在滑移支座底板滑移前端進(jìn)行倒圓角，本工程倒圓角值為R15 mm。

根據(jù)網(wǎng)架第一階段的仿真受力分析，網(wǎng)架卸載位置最大支點(diǎn)位于B2，支點(diǎn)反力80 t，對(duì)B2節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，應(yīng)力結(jié)果如圖16所示，變形結(jié)果如圖17所示。

圖16 B2節(jié)點(diǎn)應(yīng)力截圖

圖17 B2節(jié)點(diǎn)變形圖

通過(guò)分析，B2節(jié)點(diǎn)卸載牛腿除個(gè)別應(yīng)力集中外，其余各單元應(yīng)力在200 MPa以下，最大變形為0.4 mm，支點(diǎn)處變形為0.3 mm左右，滿足卸載要求。

4.4 網(wǎng)架滑移變形控制

該工程網(wǎng)架屋蓋實(shí)行分區(qū)分段累計(jì)滑移，如何保證后續(xù)拼裝單元與前面的滑移單元進(jìn)行有效對(duì)接，成為此工程網(wǎng)架滑移變形控制的關(guān)鍵。

按常規(guī)累積滑移施工方法，后續(xù)單元的卸載會(huì)影響到前一單元的桿件受力，與原設(shè)計(jì)一次加載不符。因此，對(duì)常規(guī)拼裝方案做了修改完善。

單元N已滑移出拼裝位置后，單元N＋1（除去二次安裝桿件部分）在拼裝臺(tái)架上完成拼裝工作，卸載至兩端滑移支座上。此時(shí)卸載，受力狀況與單元N相同，且N＋1單元的卸載不會(huì)影響到N單元的受力。卸載后，焊接二次安裝桿件，補(bǔ)全網(wǎng)架，拼裝順序如圖18所示。同時(shí)對(duì)拼裝單元進(jìn)行施工預(yù)起拱，起拱值大小參考結(jié)構(gòu)施工過(guò)程仿真分析結(jié)果。

圖18 拼裝順序示意

4.5 網(wǎng)架卸載施工

1）卸載順序：縱向由中間向兩側(cè)支座處對(duì)稱卸載，橫向從V形柱內(nèi)圈向外圈卸載。

2）卸載步驟：首先利用千斤頂將結(jié)構(gòu)稍微頂起，然后拆除滑移軌道及臨時(shí)支座，設(shè)置調(diào)節(jié)墊片，通過(guò)抽出調(diào)節(jié)墊片使結(jié)構(gòu)平緩的卸載到V形柱上。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)網(wǎng)架滑移施工全過(guò)程進(jìn)行仿真分析，以仿真分析結(jié)果指導(dǎo)施工，解決了滑移施工工況與設(shè)計(jì)工況力的加載形式不同而造成網(wǎng)架桿件應(yīng)力不同的難題，保證了結(jié)構(gòu)及施工的安全，達(dá)到預(yù)期效果，圓滿完成了拱形網(wǎng)架的施工任務(wù)。