某大跨度空間鋼桁架施工全過程模擬分析及監(jiān)測研究

黃仲輝

(福建省二建建設集團有限公司 福建福州 350000)

0 引言

近年來，大型鋼結構項目越來越多，結構越來越復雜，主要體現(xiàn)在結構造型復雜、大跨度、大懸挑等情況，給施工帶來很大困難。大型鋼結構通常要經(jīng)多階段分步施工后由子結構逐步組裝形成。因此，如何保證卸載過程中結構體系平穩(wěn)有序地轉換，是大跨度空間結構施工控制的關鍵[1-4]。對整個施工過程各工況的應力及變形進行計算，制定合理安全的施工方案，十分必要的[5-8]。

本文結合某游泳館屋蓋鋼桁架的施工，利用MIDAS/Gen 軟件對其施工全過程進行了數(shù)值模擬分析，并對施工過程關鍵桿件的應力及變形進行了現(xiàn)場測試，以確保施工安全。

1 工程概況

某游泳館鋼結構屋面采用混凝土柱結合鋼桁架梁的結構形式：下部結構采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構，上部屋蓋采用鋼桁架及鋼梁，如圖1所示。屋面鋼桁架總長67.3 m，跨度43 m，屬于危險性較大工程(跨度大于36 m)。

本工程屋面鋼桁架上下弦桿件采用箱型250×250×14×14的構件，腹桿采用箱型80×80×6×6，120×120×8×8構件，桁架構件焊接成榀，材料材質均為Q345B。水平系桿采用箱型200×200×10×10、或箱型200×200×10×10與箱型120×120×8×8組合的格構支撐形式，其材料材質為Q235B。橫向水平支撐采用L90×10的材料，材質為Q345B。次構件采用10.9級高強螺栓連接，形成整體框架。柱頂?shù)啬_預埋采用Q345材質，M30×1070的圓鋼材料。

(a)平面布置圖

(b)剖面圖

2 鋼結構屋蓋施工順序

大跨空間鋼結構屋蓋多采用整體吊裝和空中拼接方式。本工程即采用大型吊機桁架整體吊裝和次構件空間拼接的方法進行安裝。

具體施工順序如下：桁架梁地面拼裝，基礎復核放線，鋼桁架地面復核；9軸桁架吊裝就位，安裝固定、鋼絲繩拉結臨時固定；10軸桁架吊裝就位，9-10軸之間次構件安裝；以此類推，直至完成19-21軸之間次構件安裝；最后交叉支撐安裝并驗收。

3 施工過程有限元分析

3.1 MIDAS/Gen有限元模型

根據(jù)上述施工順序，采用MIDAS/Gen軟件進行施工階段模擬分析，共劃分為24個施工階段進行模擬分析，具體如表1所示。

考慮施工荷載，本次分析過程取1.1倍的結構自重?？蚣苤?、鋼桁架及鋼梁桿件均采用梁單元建模，屋蓋支撐采用桁架單元建模。

MIDAS/Gen軟件可以自動考慮本次施工階段得到的內力和變形，在下一個施工階段中，從而實現(xiàn)整個施工過程的模擬，整體有限元分析模型如圖2所示。

表1 施工模擬階段與施工步驟對應情況

(a)軸側視圖

(b)側視圖

3.2 有限元分析結果

限于篇幅，僅給出CS6、CS22施工階段的桁架變形及應力結果，如圖3～圖4所示。由施工過程模擬結果可知，9軸、19軸、21軸鋼桁架由于跨度小，施工過程中應力和變形均較??；10軸～18軸鋼桁架施工過程的最大變形均處于跨中區(qū)域，應力最大值主要集中于跨中上下弦桿件及支座處，在施工過程中應重點關注。

(a)整體位移云圖(mm)

(b)鋼桁架應力云圖(MPa)

(a)整體位移云圖(mm)

(b)鋼桁架應力云圖(MPa)

軟件可自動繪制出各個軸桁架最大變形，隨施工階段的變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，10軸～18軸各鋼桁架在自身吊裝完成后，變形變化量最大。隨著后續(xù)的3個階段的施工后，變形增加不明顯并趨于平穩(wěn)。這主要是由于桁架逐漸形成完整的空間體系，隨著后續(xù)施工過程的不斷進展，鋼桁架的空間整體性不斷完善，內力重分布后變形則逐漸趨于穩(wěn)定，最終最大變形值為17.25 mm，遠小于規(guī)范限制。

圖5 各軸主桁架施工過程最大變形變化曲線(單位:mm)

根據(jù)整個施工過程模擬可知，各榀鋼桁架在吊車脫鉤后的應力變化量最大，施工過程應重點關注。但整體應力水平始終保持在合理的范圍，最大拉、壓應力穩(wěn)定在-24.9 MPa～37.3 MPa之間，構件受力遠小于的材料屈服強度，安全儲備充足。另外，數(shù)值模擬結果也為下一階段的監(jiān)測測點布置和預警提供了依據(jù)。

4 施工過程監(jiān)測

4.1 測點布置方案

4.1.1 變形測點布置

根據(jù)上述有限元分析結果，選取10軸、14軸和18軸共3榀鋼桁架在下弦桿節(jié)點處，共計布置15個變形監(jiān)測點。具體布置如圖6所示。

圖6 10軸、14軸和18軸變形測點布置示意圖

4.1.2 應力測點布置

同樣，選取上述3榀鋼桁架，在受力較大處(跨中和支座位置桿件)布置應力測點，每個桿件截面布置2個應變計(實際測試時，用“上、下”進行區(qū)分)，共計18個應變監(jiān)測點，具體布置如圖7所示。

圖7 10軸、14軸和18軸應力測點布置示意圖

4.2 變形測試結果

根據(jù)上述布置方案和測試結果，可計算得出整個施工過程所選取的鋼桁架跨中測點變形監(jiān)測結果，其與理論計算值對比曲線如圖8所示。由圖可知，10軸、14軸和18軸鋼桁架在施工過程中，實測值和理論值變化趨勢一致，但實測值均小于理論計算值。

圖8 各桁架跨中測點變形變化曲線理論值與實測值對比

4.3 應力測試結果

同樣，可以得到整個施工過程所選取的鋼桁架各應力測點的測試結果，其與理論計算值對比曲線如圖9～圖11所示。由圖可知，所選取的鋼桁架各測點的應力值與理論值變化趨勢基于一致，且均接近理論計算值。實測最大拉、壓應力穩(wěn)定在-21.9 MPa～34.3 MPa之間，構件受力遠小于材料屈服強度。

圖9 10軸桁架各測點應力變化曲線理論值與實測值對比

圖10 14軸桁架各測點應力變化曲線理論值與實測值對比

圖11 18軸桁架各測點應力變化曲線理論值與實測值對比

5 結論

對某游泳館大跨度鋼桁架施工全過程進行數(shù)值模擬分析和監(jiān)測，主要結論如下：

(1)本工程鋼桁架屋蓋是經(jīng)多階段分步施工后，由子結構逐步組裝形成。為確保施工方案的可行性，施工過程模擬分析是施工控制的關鍵步驟。通過MIDAS/Gen施工全過程分析，可得到施工全過程應力、變形變化曲線。由分析結果可知，桁架在吊車脫鉤應力和變形變化最大，再后續(xù)3個階段施工后，變化則趨于穩(wěn)定。主要由于桁架逐漸形成完整的空間體系，隨著后續(xù)施工過程不斷推進，鋼桁架的空間整體性也不斷完善。此外，數(shù)值模擬結果為下一步施工監(jiān)測奠定了基礎。

(2)鋼桁架的變形實測值和應力實測值均與數(shù)值模擬結果基本吻合，也驗證了數(shù)值模擬的準確性，說明結構的施工方法可行。施工后鋼桁架屋蓋處于安全狀態(tài)。本案例可供相關類似工程參考。