鹽城體育中心游泳館鋼屋蓋施工及仿真模擬分析*

陳良 徐宏亮

1.江蘇城鄉(xiāng)建設職業(yè)學院 常州213147 2.江蘇中南建筑產(chǎn)業(yè)集團有限公司 鹽城224000

1 工程概況

鹽城體育中心游泳館位于鹽城市城南新區(qū)，建筑面積33626.68m2，共有坐席數(shù)1740 座，游泳館下部為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，包括地下一層和地上三層，上部為鋼桁架屋蓋，屋蓋平面軸線尺寸118.2m×89.4m，桁架結構最高點標高為23.216m，最低點標高為17.998m。游泳館效果圖和結構三維示意圖可見圖1。

圖1 游泳館Fig.1 Swimming pool

鋼桁架屋蓋總用鋼量達1300t，最大跨度為66m，四周外側均有懸挑結構，如圖2。屋蓋分別由橫向主桁架HXHJ、縱向次桁架ZXHJ、支撐（ZC-1、ZC-2、ZC-3）、系桿、外圈桁架（共44榀，最重約7.54t）及連接的短桁架組成。桿件為圓管截面，根據(jù)設計圖紙中桁架結構受力特點，確定主桁架共23 榀，最重約41t。連接方式上分別為：桁架結構與鋼柱連接、鉸支座與焊接球鉸接、鋼管主桁架與次桁架相連。

圖2 游泳館跨度方向示意Fig.2 Diagram of span direction of natatorium

根據(jù)《鋼結構工程施工規(guī)范》（GB 50755—2012）及以往施工經(jīng)驗［1－3］，結合結構體系及施工過程，本項目中需要重點控制的工作內(nèi)容有：不同區(qū)塊施工流程控制及不利工況分析、鋼桁架高空起裝及翻身時的危險控制以及主桁架落于支座時的穩(wěn)定性控制等。

2 鋼結構屋蓋體系施工過程

下部土建施工完成后，進行鋼屋蓋體系施工。鋼結構散件運至施工現(xiàn)場后，首先在拼裝胎架上拼裝成整段桁架，之后進入吊裝環(huán)節(jié)，采用2 臺履帶吊（1 臺400t、1 臺180t）進行主次桁架吊裝，采用2 臺25t 汽車進行拼裝桁架、裝卸構件的吊裝。

吊裝施工現(xiàn)場分為3 個區(qū)塊，見圖3。按照區(qū)塊一→區(qū)塊二→區(qū)塊三的順序依次施工。先安裝區(qū)塊一：1 軸～13 軸的橫向長段主桁架及次構件，接著完成區(qū)塊二：1 軸～13 軸的橫向短段主桁架及次構件施工，最后完成區(qū)塊三：A 軸～M軸的縱向短跨主桁架、次構件和外圈桁架施工，實現(xiàn)從橫向到縱向、從長段到短段、從主桁架到次構件的分批有序吊裝。主桁架縱橫向劃分及對應構件命名可見圖4 和表1。

表1 主桁架構件信息Tab.1 Main truss member information

圖3 屋蓋施工區(qū)塊布置Fig.3 Layout of roof construction block

圖4 主桁架單元劃分Fig.4 Main truss unit division

3 施工工況分析

針對游泳館鋼結構屋蓋桁架體系的吊裝工況進行分析，包括最不利單元吊裝工況分析和各劃分區(qū)塊的吊裝工況分析［4－6］。

3.1 最不利吊裝工況分析

主桁架分為橫向長段主桁架和縱向短跨主桁架，共有23 榀，其中主桁架HXHJ-1 ～HXHJ-13由于長度較大，均分為兩段進行吊裝，桁架具體分類信息可見表1。最不利吊裝的單元為HXHJ-9的橫向長段HXHJ-9／1（30.6t），如圖4。HXHJ-9／1 起吊時，長71.6m，重31t，采用400t 履帶吊吊裝，吊裝半徑46m，考慮索具重2t，扁擔梁重7t，吊裝重量總計為40t。而選用履帶吊主臂為42m，主臂與地面角度85°，副臂為54m，工作半徑達44m，額定起重55t，如圖5。

圖5 最不利吊裝單元吊裝立面圖Fig.5 Lifting elevation of the most unfavorable lifting unit

同時考慮起吊重量和起吊高度因素進行分析：①額定起重量55t ＞所需起重量40t，吊裝余量達27%；②最大起吊高度72m ＞吊裝高度55m，滿足最不利吊裝工況要求。

3.2 區(qū)塊吊裝工況分析

區(qū)塊一施工時采用兩臺履帶吊配合施工。該區(qū)域內(nèi)最不利吊裝工況即為橫向長段HXHJ-9／1（30.6t）的吊裝。其工況分析同上最不利吊裝工況分析，額定起重量大于吊裝總重量，最大起吊高度大于吊裝高度，滿足該區(qū)域吊裝要求。

區(qū)塊二施工時采用一臺180t履帶吊施工。該區(qū)域內(nèi)最不利吊裝工況為橫向短段HXHJ-12／2的吊裝。HXHJ-12／2 起吊時，長度29.4m，重11.7t，吊裝半徑24.5m，考慮吊索具重2t，則吊裝重量總計13.7t。而選用的180t 履帶吊主臂為37m，副臂為25m，工作半徑20m，額定起重15.6t，15.6t ＞13.7t，吊裝余量達13.8%，滿足該區(qū)域吊裝要求。

區(qū)塊三施工時也采用一臺180t 履帶吊施工。該區(qū)域內(nèi)最不利吊裝工況為短跨主桁架10 的吊裝。短跨主桁架10 起吊時，長度19.2m，重7.2t，吊裝半徑22m，考慮索具重2t，則吊裝重量總計9.2t。選用的180t履帶吊額定起重14.8t，14.8t ＞9.2t，吊裝余量達37%，也滿足該區(qū)域吊裝要求。

4 施工過程有限元分析

4.1 桁架起吊靜力分析

首先對桁架起吊懸空進行靜力結構分析。包括起吊時桁架整體變形分析、桁架桿件應力分析及桁架穩(wěn)定性分析［7，8］。變形分析采用靜載荷作用下的變形，在對各吊裝桁架進行內(nèi)力分析時，將靜荷載乘以1.4 倍的動力放大系數(shù)考慮。靜力分析采用有限元分析軟件Midas Gen v8.85，選取最不利重量的桁架單元HXHJ- 9／1（30.6t、71.8m）進行模擬，此桁架模型的跨度、質量和桿件形式均具有代表性，如圖6 所示。

圖6 起吊模型Fig.6 Lifting model

桁架變形方面：該吊裝單元起吊過程中，桁架豎向變形很小，最大相對豎向變形均在2.7mm 之內(nèi)，在合理可控范圍；桿件應力方面：桁架在起吊過程中最大拉應力為23MPa，最大壓應力為－28MPa，出現(xiàn)在吊點的腹桿處，可見此時桁架仍處于低應力狀態(tài)，應力較小處于彈性階段；桁架穩(wěn)定性方面：桁架在起吊過程中主要可能破壞模式為扁擔梁失穩(wěn)破壞，模擬分析臨界荷載系數(shù)為15.6 ＞4，滿足要求；桁架在就位過程中主要可能破壞模式為支座位置上弦桿側向失穩(wěn)破壞，臨界荷載系數(shù)為7.8 ＞4，結構穩(wěn)定性也滿足要求。除此之外，桁架撓度與跨度（吊點間距23600mm）之比為1／8741 ＜1／250；桁架桿件應力比最大值為0.19 ＜0.85，均滿足鋼結構深化設計圖紙和相關施工規(guī)范的要求，可保證施工安全要求。

4.2 桁架起吊翻身分析

由于拼裝單元為典型的平面桁架，吊裝單元起吊翻身的過程也是結構容易發(fā)生破壞的環(huán)節(jié)［9］。為保證翻身過程的安全，需要按照實際情況對桁架起吊翻身進行有限元分析。

仍按照1.4倍的動力放大系數(shù)及靜荷載作用下的變形考慮，變形值采用荷載標準組合1.0DL ＋1.0LL，應力值采用荷載基本組合1.3DL ＋1.5LL。桁架起吊翻身分析采用有限元分析軟件Midas Gen 2019（v2.1），驗算最不利桁架的起吊翻身情況。

驗算結果如圖7 所示，桁架位移最大值為－36.8mm，在翻身0°時桁架下端端部產(chǎn)生；桁架桿件應力比最大為0.254 ＜0.8，所有桿件處于彈性范圍內(nèi)，翻身完成后結構不會發(fā)生不可逆變形，可以保證施工安全要求。

圖7 典型翻身過程位移和應力Fig.7 Displacement and stress in typical turning process

4.3 施工過程分析

由于該工程跨度較大，桁架在施工過程中容易造成結構變形和桿件的應力集中［10，11］，為保障施工安全性，采用有限元分析軟件Midas Gen 2019（v2.1）對施工過程進行變形及應力驗算，本次分析荷載僅取桁架自重（含節(jié)點自重），結合《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），參照重力荷載系數(shù)一般取值情況，取1.2 的動荷載系數(shù)。

桁架拼裝過程中，變形最大值出現(xiàn)在短跨主桁架10 拼裝后，而應力比最大值則出現(xiàn)在外圈桁架拼裝后，分別如圖8、圖9 所示。結構最大位移63.3mm，方向向下，桿件的應力比最大值0.289，并可得撓度與跨度（66m）之比為1／1042。分析可知，結構變形和桿件應力比均較小，可滿足安全性能要求。

圖8 短跨主桁架10 拼裝后整體變形及應力Fig.8 Overall deformation and stress of short span main truss 10 after assembly

圖9 外圈桁架拼裝后整體變形及應力Fig.9 Overall deformation and stress of outer ring truss after assembly

5 結語

1.將桁架體系分為3 個區(qū)塊進行有序吊裝施工的方案合理可行，施工流程清晰；

2.在最不利吊裝工況下（采用400t履帶吊吊裝30.6t的HXHJ-9／1 桁架），同時考慮吊索吊具和扁擔梁的重量，吊裝余量仍可達27%，可有效滿足吊裝要求；

3.起吊時桁架在變形、桿件應力及穩(wěn)定性方面均滿足結構設計圖紙和相關施工規(guī)范的要求，翻身時沒有產(chǎn)生不可逆變形且桿件處于彈性范圍，施工時結構整體變形、撓度和桿件應力均在合理區(qū)間，能夠實現(xiàn)施工全過程安全可靠、性能可信、質量可控的目標。