某體育場大懸挑罩棚施工全過程模擬分析

陳 剛，許 強

(1.杭州科技職業(yè)技術(shù)學院，浙江 杭州 311402； 2.杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司，浙江 杭州 311232)

1 工程概況

某體育場東西長約255 m，南北長約202 m，結(jié)構(gòu)最大懸挑為33.673 m，結(jié)構(gòu)最高標高為35.8 m，鋼結(jié)構(gòu)平面投影面積約為23 250 m2。最外圈樓梯結(jié)構(gòu)和鋼骨柱作為上部鋼結(jié)構(gòu)的支撐點。鋼結(jié)構(gòu)罩棚主要構(gòu)件為 Q355B的圓鋼管，由主桁架和環(huán)桁架、次桁架及鋼支撐組成，主桁架支承于下部混凝土鋼骨柱,如圖1所示。

體育場大懸挑罩棚鋼結(jié)構(gòu)是大型空間結(jié)構(gòu)，特點是結(jié)構(gòu)懸挑比較大、剛度柔、單榀桁架重量大、需要進行高空安裝、建筑造型復(fù)雜等，桁架安裝順序?qū)Y(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力分布影響較大。施工過程按不同的結(jié)構(gòu)形式和安裝順序可以分成若干階段，在每個階段，結(jié)構(gòu)形式、受力體系、施工荷載都可能會產(chǎn)生變化，因此需要對處于不同階段的結(jié)構(gòu)進行全過程的施工驗算，保證施工過程的安全性[1-2]。

在桁架吊裝和焊接工作完成之后應(yīng)進行臨時支撐胎架的卸載。卸載的過程是結(jié)構(gòu)受力體系逐步轉(zhuǎn)變和內(nèi)力重新分布的過程，臨時支撐胎架的卸載是施工安全的關(guān)鍵問題之一[3-4]。支撐胎架卸載順序?qū)χ畏戳?、變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大，在施工模擬分析中應(yīng)對卸載步劃分、單元卸載順序和偶然工況等進行分析，為制定合理的卸載方案提供依據(jù)[5-6]。

2 罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工順序

2.1 罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工方案

根據(jù)體育場罩棚鋼桁架結(jié)構(gòu)的特點，體育場罩棚鋼結(jié)構(gòu)采用如下的施工方案：

1)主、次桁架在工廠下料、切割，以散件的形式運至現(xiàn)場。

2)體育場結(jié)構(gòu)外圍和場內(nèi)設(shè)置拼裝場地，主桁架、環(huán)桁架柱均在現(xiàn)場拼裝成整榀后吊裝。

3)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計分縫共分成8個區(qū)域連續(xù)施工，分區(qū)圖如圖2所示，即由A區(qū)→B區(qū)→H區(qū)→G區(qū)→F區(qū)→E區(qū)→D區(qū)→C區(qū)依次進行鋼結(jié)構(gòu)施工。施工過程中主桁架下設(shè)立臨時支撐胎架。

2.2 罩棚鋼結(jié)構(gòu)安裝施工流程

首先使用2臺25 t汽車起重機在體育場內(nèi)安裝A區(qū)、B區(qū)的臨時支撐胎架，臨時支撐架需用纜風繩進行固定，安裝完成后進行檢查、驗收，合格后吊裝罩棚鋼結(jié)構(gòu)桁架。主桁架在地面拼裝并驗收合格后，使用260 t履帶起重機進行吊裝主桁架，使用100 t汽車起重機吊裝下部斜桁架柱，然后使用100 t履帶起重機吊裝相應(yīng)的環(huán)向桁架、次桁架及支撐系統(tǒng)。吊裝主桁架、下部斜桁架柱的起重機行走、停放在體育場場外的施工道路上，其余起重機可以行走、停放在體育場內(nèi)。A區(qū)、B區(qū)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點焊接完成以后，根據(jù)卸載方案進行卸載。卸載完成后，拆除A區(qū)、B區(qū)的臨時支撐胎架，同時開始搭設(shè)H區(qū)、G區(qū)的臨時支撐架。然后根據(jù)A區(qū)、B區(qū)施工流程依次進行H區(qū)、G區(qū)、F區(qū)、E區(qū)、D區(qū)、C區(qū)罩棚鋼結(jié)構(gòu)的安裝、卸載。

3 施工模擬分析

采用Midas/Gen軟件進行施工全過程模擬分析。罩棚鋼結(jié)構(gòu)材料材質(zhì)均勻，強度高，施工模擬計算時不考慮材料非線性，但需要考慮安裝過程中的非線性效應(yīng)。根據(jù)不同施工步驟，對結(jié)構(gòu)、邊界和荷載進行分組設(shè)置，通過不同施工步驟間的“激活”和“鈍化”模擬罩棚鋼結(jié)構(gòu)安裝和卸載。施工模擬過程中，主要考慮結(jié)構(gòu)自重、風荷載、降溫荷載，降溫荷載按-25 ℃計算[7-8]。典型施工模擬有限元模型如圖3所示。

一般的施工模擬常設(shè)置鉸接的固定支座代替臨時支撐，約束剛度與實際不一致，導致結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力分布與實際不一致[9]；在卸載的過程中如果連續(xù)施加強迫位移，可能會導致結(jié)構(gòu)桿件出現(xiàn)內(nèi)力反號，導致分析結(jié)果失真。因此，在有限元中需要建立臨時支撐架和纜風繩模型，使用彈性連接模擬卸載過程，充分考慮臨時支撐胎架的變形對罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工過程的影響。

管桁架桿件、臨時支撐架桿件選取梁單元進行模擬，適合于分析細長的線型結(jié)構(gòu)，管桁架材料按結(jié)構(gòu)設(shè)計進行取值。臨時支撐架材料取Q235B，纜風繩材料按自定義材料設(shè)置，彈性模量取1.6×1011N/m2，泊松比取0.3。

4 有限元計算結(jié)果

4.1 基于施工全過程的模擬分析結(jié)果

模擬結(jié)果分析顯示，整個施工全過程模擬過程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力始終保持在合理的水平，施工步驟間結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化比較平緩，未出現(xiàn)較大的波動和劇烈變化，構(gòu)件應(yīng)力小于材料的屈服強度。整個施工過程中最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在主桁架臨時支撐胎架卸載以后，少數(shù)出現(xiàn)在卸載以前的構(gòu)件安裝過程中，因此進行施工全過程的有限元模擬計算能夠最大限度地保證施工安全。考慮到桁架構(gòu)件拉壓應(yīng)力下的屈服或屈曲失穩(wěn)，控制構(gòu)件最大應(yīng)力比更符合實際，施工全過程中最大應(yīng)力比0.56，可知結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備。施工過程中最大豎向位移為38.4 mm，能夠滿足JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程要求短向跨度1/250的要求。各分區(qū)施工全過程有限元計算模擬分析結(jié)果見表1。

表1 分區(qū)施工全過程模擬分析結(jié)果

由于體育場桁架整體呈現(xiàn)馬鞍形，各榀主桁架垂直平面外有輕微的傾斜，在吊裝過程中由于鋼支撐是逐步安裝的，吊車松鉤后主桁架端部會出現(xiàn)一定扭轉(zhuǎn)變形，特別是B區(qū)、D區(qū)、F區(qū)、H區(qū)的主桁架，因此在模擬分析時要特別注意環(huán)桁架、次桁架、支撐的安裝順序。模擬分析時通過調(diào)整各次構(gòu)件的吊裝次序，施工過程中主桁架沒有出現(xiàn)大的側(cè)向位移變形。各分區(qū)模擬施工應(yīng)力與變形如圖4所示。從圖4中可以看出，由于臨時支撐高度比較高，施工過程中主桁架和臨時支撐胎架是沿著懸挑端方向有一定位移變形，最大水平位移變形10.5 mm，滿足規(guī)范限值要求。

4.2 偶然工況的結(jié)構(gòu)敏感性分析

卸載過程中可能出現(xiàn)較大反力臨時支撐卸載滯后、較大反力臨時支撐失效、較大反力區(qū)域附近的臨時支撐胎架失效等偶然工況，這些偶然工況有可能導致局部構(gòu)件破壞甚至結(jié)構(gòu)整體倒塌。針對出現(xiàn)概率最大的較大反力臨時支撐卸載滯后這種偶然工況進行分析。研究表明:鋼罩棚的整體性較好，但是局部卸載滯后直接導致滯后的臨時支撐點反力大幅度提高，反力變化趨勢改變；臨時支撐點附近的桁架桿件應(yīng)力比也相應(yīng)增大，存在嚴重的安全隱患。以反力最大的E區(qū)8號臨時支撐胎架為例，臨時支撐反力最大56.2 kN，考慮相鄰臨時支撐卸載不同步，造成8號臨時支撐卸載滯后，臨時支撐反力增加到83.2 kN，增大了48%。因此在進行下部臨時支撐胎架設(shè)計時應(yīng)留有足夠的安全儲備，并且在卸載前對相關(guān)的工程人員進行培訓，盡可能避免出現(xiàn)可能的偶然工況。

針對較大反力臨時支撐胎架失效的問題，通過臨時支撐胎架的設(shè)計驗算，充分考慮各種可能出現(xiàn)的工況，保證安全不失效?？紤]到臨時支撐高度達到33 m，安裝時會出現(xiàn)頂部的側(cè)傾，纜風繩只設(shè)置在頂部和中間位置，臨時支撐會出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)，需要計算胎架整體失穩(wěn)。經(jīng)過計算，臨時支撐鋼構(gòu)件最大應(yīng)力比0.26，纜風繩容許拉力23.6 kN，最大拉力8.5 kN，滿足使用需求。設(shè)置2道纜風繩情況下，臨界荷載安全系數(shù)35.1，遠大于4.2，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的穩(wěn)定性安全要求。支撐卸載滯后計算圖見圖5。

5 結(jié)語

本文基于施工全過程的有限元模擬分析，對某體育場的罩棚鋼結(jié)構(gòu)施工全過程進行了分析研究，模擬計算分析結(jié)果表明:1)施工全過程模擬過程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力始終保持在合理的水平，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形未出現(xiàn)突變，整個施工過程中最大應(yīng)力可能出現(xiàn)在構(gòu)件安裝或卸載的過程中，因此需要進行施工全過程的有限元模擬計算。2)由于體育場罩棚鋼結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，模擬分析時要特別注意環(huán)桁架、次桁架、支撐的安裝順序，避免安裝過程中出現(xiàn)比較大的位移變形。3)施工過程中偶然工況會引起相關(guān)的臨時支撐反力和局部構(gòu)件應(yīng)力的變化，出現(xiàn)局部破壞甚至引起整體坍塌，必須充分考慮各種可能會出現(xiàn)的偶然工況。