雙向交叉平面鋼桁架提升全過程分析

張國棟

上海同磊土木工程技術(shù)有限公司，上海 200433

大跨鋼結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)越性使其廣泛應(yīng)用于火車站、體育館、會展中心等公共建筑，造就了不少造型優(yōu)美、外觀新奇和室內(nèi)擴展性極強的建筑。隨著安裝方案的不同，其結(jié)構(gòu)體系和受力方式在安裝過程中不斷變化，而施工方案的選擇關(guān)系到整個項目的進度工期和經(jīng)濟合理性[1]，因此有必要在理論階段研究安裝方案的安全性與可靠性。

1 項目概況

案例工程為某市體育中心體育館比賽館項目，體育館上部鋼屋蓋形狀為平面圓角矩形，采用雙向交叉平面鋼桁架結(jié)構(gòu)。其平面尺寸為短跨109.2m，長跨方向126.1m，單榀桁架矢高為5.7～8.7m。

2 鋼結(jié)構(gòu)安裝思路

該工程最大安裝標高為+33.6m，需要選擇合理的鋼結(jié)構(gòu)安裝方案。方案1采用分件高空散裝安裝方案，但局限于場地內(nèi)空間的狹小和起重機械的吊裝能力，導(dǎo)致各專業(yè)工作面交叉大，達不到預(yù)定安裝進度。方案1的施工難度大，不利于保障鋼結(jié)構(gòu)吊裝安全、高空焊接質(zhì)量以及工期進度計劃控制[2]。

方案2是在鋼桁架投影位置正下方地下室-5.9m處拼裝被提升單元，利用液壓同步提升系統(tǒng)將部分鋼桁架屋面提升至設(shè)計位置，然后再與吊裝段桁架對接完成鋼屋面安裝。方案2的施工難度小，絕大部分拼裝和焊接作業(yè)在地面進行，保障了鋼桁架的安裝質(zhì)量。

綜合考慮施工難度和經(jīng)濟效益，該工程選擇方案2的施工方法。

3 提升技術(shù)原理

液壓提升器兩端的專用錨具有單向自鎖功能，在提升工況中能夠自動鎖緊鋼絞線，在非提升工況中能夠?qū)崿F(xiàn)鋼絞線的上下活動[3]。

提升系統(tǒng)采用計算機集中控制，利用智能節(jié)點傳遞指令、收集數(shù)據(jù)和反饋系統(tǒng)狀態(tài)，可全自動實現(xiàn)同步作業(yè)、姿態(tài)矯正、行程顯示和故障報警等可視化功能，實現(xiàn)了單臺液壓提升器的獨立實時監(jiān)控，從而能優(yōu)化控制的精度，實現(xiàn)低延遲反應(yīng)的操作[4]。

4 數(shù)值模擬分析

大跨鋼結(jié)構(gòu)施工受限于體系成型前的邊界約束、受力形式和施工工藝等原因，是一個隨著施工階段進行而動態(tài)變化的過程。根據(jù)對建筑行業(yè)內(nèi)發(fā)生的大跨鋼結(jié)構(gòu)安裝事故的分析可知，發(fā)生事故的原因均是未能準確對整個施工過程及關(guān)鍵節(jié)點進行施工模擬，導(dǎo)致施工工藝缺陷未能及時被發(fā)現(xiàn)和關(guān)鍵節(jié)點破壞從而引發(fā)事故。因此，針對該項目特點，決定采用空間有限元分析軟件Midas Gen對提升施工全過程進行模擬，采用通用有限元分析軟件ANSYS Workbench對關(guān)鍵節(jié)點進行計算分析。

4.1 提升過程分析

根據(jù)提升吊點對稱布置和主構(gòu)件受力的原則，在被提升結(jié)構(gòu)選取8個點作為提升下吊點，選擇TS-405型液壓提升器。單臺液壓提升器具有405t的額定提升能力，采用直徑為17.78mm、抗拉強度為1860MPa的預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為連接上、下吊點的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)，提升吊點布置如圖1所示，設(shè)備配置如表1所示。

圖1 吊點及后裝桿件布置圖

表1 提升設(shè)備配置表

進行提升工況分析后可知，被提升結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件應(yīng)力比大于1.0，不滿足施工要求，需要對此部分構(gòu)件進行替換。

對超限桿件進行替換后，被提升結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力比為0.74＜1.0，滿足要求；被提升結(jié)構(gòu)最大豎向變形為20.9mm，提升點跨度為25200mm，豎向變形和提升點跨度之比為1/1205＜1/400，滿足要求。

提升至設(shè)計標高后，需對外圍桁架構(gòu)件進行嵌補，嵌補后鋼桁架最大應(yīng)力比為0.84＜1.0，滿足要求。

4.2 卸載過程分析

該工程運用的卸載方法為整體同步卸載法，以位移控制為依據(jù)，每次卸載高度為40mm，共進行4次卸載。卸載后應(yīng)力比云圖和最大位移如圖2所示。同步卸載后，屋桁架最大應(yīng)力比為0.72＜1.0，滿足施工要求。

圖2 卸載后應(yīng)力比云圖和最大位移圖

4.3 提升支架設(shè)計

現(xiàn)場共布置8組門式提升支架，每組提升架由2個格構(gòu)式胎架組成，支架高43.5m。提升工況中支架桿件最大應(yīng)力比為0.87＜1.0，最大水平變形為118.7mm，水平變形為提升點跨度的1/366＜1/250，最小屈曲因子為5.9＞4.0，提升支架設(shè)計滿足施工要求。

4.4 下吊具設(shè)計

該工程在對應(yīng)弦桿的上翼緣布置下吊點，提升過程中被提升單元主要承受豎向自重荷載，由此可知下吊具所受的荷載大小等于單個液壓提升器鋼所有絞線內(nèi)力之和。下吊具應(yīng)力云圖如圖3所示。由精細化分析得到下吊具最大應(yīng)力為304MPa，發(fā)生在上翼緣與下吊具連接圓角局部很小的位置上，下吊具絕大部分應(yīng)力在150MPa以下，最大變形為0.9mm，計算模型參數(shù)設(shè)置符合設(shè)計要求，下吊具結(jié)構(gòu)強度和剛度均能滿足該項目提升工況要求。

圖3 應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

（1）通過對提升施工過程的準確模擬分析可知，要找出各種不利工況下被提升結(jié)構(gòu)的薄弱桿件，并對這部分桿件進行替換或者加固，從而保障提升過程安全可靠。

（2）文章提出了一種廣泛適用于其他項目的提升支撐方式和下吊具形式，通過Midas Gen和ANSYS對結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性進行了驗證。

（3）大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的安裝施工過程關(guān)乎整個結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，文章通過對鋼結(jié)構(gòu)提升工況、卸載工況、關(guān)鍵節(jié)點等進行仿真計算分析，確保了施工工藝的可靠性。