大跨度平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高空散裝施工模擬與監(jiān)測分析

彭 劍,蒙宇紅

(廣西建工第一建筑工程集團有限公司,南寧 530022)

1 工程概況

佛岡體育館長64.0 m,寬62.6 m,總建筑面積1.04萬m2,屬于佛岡縣重點建設(shè)工程。項目位于佛岡縣龍鳳大道,主建筑地上3層,為大跨度平板雙向鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。體育館屋面網(wǎng)架最大設(shè)計高度18.405 m,主要由下弦桿、上弦桿、腹桿、抗震球形支座、螺栓球組成,圓形桿件采用Q345B鋼,設(shè)計數(shù)量為4 679根,單根桿件最大質(zhì)量為0.185 t,球節(jié)點連接構(gòu)件1 221個,起吊拼裝單元質(zhì)量均小于0.8 t。網(wǎng)架的主體支撐結(jié)構(gòu)為混凝土支柱,共有35個固定抗震球形支座和1個滑動抗震球形支座整體支撐在柱頂部?？紤]到該項目屋面網(wǎng)架面積較大,運輸及吊裝困難,因此對該平板網(wǎng)架的施工采用高空散裝施工方法。高空散裝法直接將小拼單元或散件在設(shè)計位置上進行拼裝,分為全支架法和懸挑法。其中全支架法又稱為滿堂腳手架法,該方法在網(wǎng)架施工的技術(shù)、安全以及成本方面具有明顯優(yōu)勢,是鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最多的施工方法之一。

2 高空散裝模擬分析

2.1 建立網(wǎng)架模型

采用滿堂腳手架法進行網(wǎng)架的安裝施工,其自身重量均由腳手架支撐,在網(wǎng)架未完全合龍前,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的撓度變形和桿件內(nèi)力均隨施工過程而變,極易出現(xiàn)節(jié)點變形、支架沉降等現(xiàn)象,從而導(dǎo)致網(wǎng)架構(gòu)件的應(yīng)力超過屈服極限發(fā)生局部失穩(wěn)[3]。該研究利用Midas/Gen有限元軟件,模擬分析佛岡體育館屋面網(wǎng)架的施工過程,首先建立屋面網(wǎng)架三維模型,其中桿件選用Q345鋼,材料屈服強度f=345 MPa,彈性模量E=206 GPa,泊松比v=0.3,混凝土強度等級為C30。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009—2012)》及設(shè)計資料,網(wǎng)架模型采用球鉸支座,節(jié)點設(shè)定為鉸接,所有荷載作用均折算成集中力施加于上弦節(jié)點。其中網(wǎng)架恒荷載取0.3 kN/m,屋面活荷載取0.5 kN/m,結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算。

2.2 安裝順序及模擬結(jié)果

由于網(wǎng)架安裝過程的撓度變形較大,提出以下方案來減小網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變形:1)采用合理的網(wǎng)架拼裝順序;2)同步監(jiān)測網(wǎng)架各階段安裝過程,并及時進行誤差糾偏?；谝陨辖鉀Q方案,采用Midas/Gen有限元軟件,按照施工步驟將結(jié)構(gòu)構(gòu)件、支座約束、荷載工況劃分為組,對網(wǎng)架施工各階段的內(nèi)力和變形進行分析。通過有限元分析方法,采用單元死/活功能[4]模擬網(wǎng)架構(gòu)件的整個安裝過程,分析過程采用累加模型的方式,每個施工階段分析時,前一階段內(nèi)力和位移作為初始狀態(tài),從而真實模擬網(wǎng)架施工動態(tài)過程。計算發(fā)現(xiàn),第一區(qū)域的網(wǎng)架遵循從左至右進行,剩余區(qū)域遵循南側(cè)向北側(cè)循序漸進安裝時,整個鋼結(jié)構(gòu)撓度變形影響最小。因此網(wǎng)架安裝順序遵循“循序安裝、左側(cè)往右側(cè)合龍、由南至北”的原則,并確保網(wǎng)架安裝過程各施工步的支撐點處于頂緊狀態(tài),對應(yīng)的網(wǎng)架安裝順序如圖1所示。

根據(jù)以上網(wǎng)架安裝順序原則進行施工模擬,列出各階段較不利施工步的分析結(jié)果,施工結(jié)束后網(wǎng)架的應(yīng)力比云圖如圖2所示。

基于佛岡體育館平板網(wǎng)架屋蓋施工模擬分析結(jié)果,得出以下結(jié)論:1)構(gòu)件最大應(yīng)力比出現(xiàn)在第21施工步,達到0.94,其他施工步構(gòu)件應(yīng)力比均小于0.9。在第32施工步(網(wǎng)架拼裝完成)構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.89,構(gòu)件高空散裝各階段的應(yīng)力比均未超過1。2)洞口范圍(11軸～12軸交E軸～F軸)的網(wǎng)架安裝時(施工步14)需有側(cè)向支撐,保證網(wǎng)架拼裝過程側(cè)向穩(wěn)定性滿足要求。綜上網(wǎng)架拼裝和拆除過程構(gòu)件承載力滿足要求。

3 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工安裝工藝

依據(jù)網(wǎng)架施工模擬結(jié)果編制網(wǎng)架的安裝施工方案,采用高空散裝方式進行網(wǎng)架安裝,據(jù)此布控的塔吊均能滿足現(xiàn)場網(wǎng)架單根桿件的吊裝要求。為減少溫度應(yīng)力影響,鋼結(jié)構(gòu)的合龍溫度為25～33 ℃。

3.1 操作平臺搭設(shè)方案

項目屋面網(wǎng)架采用滿堂腳手架作為高空散裝操作平臺。滿堂腳手架平面尺寸為64 m×62.6 m,架體鋼管規(guī)格取Ф48 mm×3,材料為Q235鋼,腳手架最大搭設(shè)高度為15.6 m,搭設(shè)縱橫間距為1.2 m,步距1.5 m。腳手架頂層作為網(wǎng)架的操作平臺,其標高較網(wǎng)架下弦標高浮動20～40 mm,水平桿布置間距為300 mm,并滿鋪腳手板。對滿堂腳手架進行承載力驗算時,考慮操作平臺上人及堆放材料,施工活荷載取3 kN/m2。計算結(jié)果顯示,縱向鋼管最大應(yīng)力計算值為σ=90.646 N/mm2≤[f]=205 N/mm2,最大撓度為1.588 mm≤min(1 200/150,10)=8 mm,滿足要求。橫向支撐鋼管的最大應(yīng)力計算值為125.835 N/mm2≤[f]=205 N/mm2,最大撓度為2.181 mm≤min{1200/150,10}=8 mm,鋼管立桿穩(wěn)定性驗算σ=177.476 N/mm2≤[f]=205 N/mm2,因此驗算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

3.2 網(wǎng)架施工工序設(shè)計

在地面拼裝四角錐體和三角錐體拼裝單元,通過塔吊吊運至拼裝區(qū)域,然后采用滿堂架平臺進行散裝拼接。高空散裝施工工藝為:在已安裝且完成閉合的網(wǎng)架上并排安裝兩個倒三角錐單元體→連接兩個倒三角錐單元體之間的上弦桿→安裝兩個帶下弦球節(jié)點的倒三角錐單元體→向右安裝吊裝單元并與已安裝網(wǎng)架連成整體→相同步驟同時向左對稱安裝→循環(huán)以上步驟,形成整體。

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3.3 網(wǎng)架關(guān)鍵部位安裝工藝

依據(jù)數(shù)值分析方法確定網(wǎng)架安裝順序并進行安裝,其中桿件之間采用螺栓球節(jié)點連接,桿件與支座采用焊接球節(jié)點連接?？招那蚺c下弦桿、上弦桿、腹桿采用焊接連接,螺栓球與下弦桿、上弦桿、腹桿采用螺栓連接。

3.3.1 焊接球節(jié)點安裝

焊接球上下弦桿的焊接全部在地面上完成,以減少網(wǎng)架總拼過程中的焊接應(yīng)力[5]。屋面網(wǎng)架焊接時先焊下弦,使下弦收縮而略向上拱,然后焊接腹桿及上弦,以避免由于先焊上弦造成的不易消除的人為撓度。為防止網(wǎng)架拼裝過程中因為網(wǎng)架自重或支架剛度較差而出現(xiàn)撓度過大的情況,項目屋面網(wǎng)架預(yù)先設(shè)置10 mm的預(yù)起拱,焊接球節(jié)點全部焊縫均需要進行外觀檢測,其中一級焊縫的探傷比例為100%。

3.3.2 螺栓球節(jié)點安裝

螺栓球節(jié)點拼裝施工時,先在地面拼裝成小拼單元再由塔吊吊運至安裝位置,從屋面一端開始,以一個網(wǎng)格為一排,逐排步進。螺栓球節(jié)點組裝工藝為:下弦節(jié)點→下弦桿→腹桿及上弦節(jié)點→上弦桿→校正→全部擰緊螺栓。對節(jié)點進行校正前,各個工序螺栓均不擰緊,以防構(gòu)件內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)拼裝過程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 網(wǎng)架安裝撓度監(jiān)測

在網(wǎng)架構(gòu)件拼裝施工時同步進行撓度監(jiān)測,監(jiān)測次數(shù)和頻率為合龍后一次,卸載階段2天一次,屋面加載階段3天監(jiān)測一次,驗收階段兩次,同時根據(jù)現(xiàn)場施工情況進行加密或延遲監(jiān)測。圖3為網(wǎng)架安裝過程各監(jiān)測點2022年7月12日至2022年8月8日以來采用磁致式靜力水準儀HT-SZY200記錄的撓度值變化曲線。

從圖3監(jiān)測結(jié)果可以看出,網(wǎng)架各測點位移量基本反映安裝過程中產(chǎn)生的位置變化,在第12次監(jiān)測之后,各測點的豎向位移數(shù)據(jù)變化趨于穩(wěn)定。依據(jù)標準JGJ7—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》關(guān)于網(wǎng)架安裝撓度限值的規(guī)定,鋼網(wǎng)架安裝完畢后整體撓度不得超過其跨度的1/250,因此該項目屋面結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的撓度值為181.22 mm<允許撓度值62.6 m/250=250 mm,滿足安裝過程的規(guī)定和要求。

4.2 網(wǎng)架構(gòu)件應(yīng)力監(jiān)測

根據(jù)該工程施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化大的特點,項目在平板網(wǎng)架安裝過程中主要在結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件處、施工模擬中應(yīng)力絕對值較大部位處以及施工過程中應(yīng)力變化可能較大的構(gòu)件上布置測點,圖4為網(wǎng)架安裝過程各應(yīng)力測點2022年6月10日至2022年8月8日以來采用應(yīng)變計SCL-YB2000監(jiān)測的應(yīng)力值變化曲線。

由圖4可以看出,在桿件拼裝過程中,應(yīng)力及累積應(yīng)力小于Q345-B鋼材的屈服強度,除個別點外應(yīng)力監(jiān)測變化值均小于300 MPa。隨著結(jié)構(gòu)成型,所測桿件的應(yīng)力均趨于收斂,說明結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力趨于穩(wěn)定。

4.3 網(wǎng)架水平位移變形監(jiān)測

為防止散裝施工引起的水平累積位移,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝過程中必須時刻測量和控制其安裝誤差[6]。為此需對網(wǎng)架安裝過程中的水平位移進行同步監(jiān)測,并對不滿足設(shè)計和安裝要求的部位進行糾偏。圖5為網(wǎng)架散裝過程各水平位移測點2022年7月27日至2022年8月8日以來采用全站儀監(jiān)測的水平位移變化曲線。

從圖5可知,所抽查的圓形桿件水平向位移均未超過5 mm,水平位移偏差合格率達到100%。同時,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受載穩(wěn)定并且測點水平位移偏差最大值為4.6 mm,滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求。通過位移、撓度以及應(yīng)變?nèi)齻€方面的監(jiān)測相互協(xié)調(diào),保證了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝各項參數(shù)監(jiān)測結(jié)果的準確性和有效性。網(wǎng)架安裝監(jiān)測到的構(gòu)件應(yīng)力及位移均在規(guī)范限值以內(nèi),表明該有限元分析方法可以較好模擬網(wǎng)架施工的應(yīng)力及位移變化。

5 結(jié) 論

結(jié)合佛岡體育館項目屋蓋結(jié)構(gòu),通過Midas/Gen軟件進行施工模擬,分析結(jié)果對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的高空散裝施工起到了指導(dǎo)作用,得到以下結(jié)論:

a.采用大型有限元分析軟件Midas/Gen建立了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析模型,通過施工模擬得到了應(yīng)力比云圖,發(fā)現(xiàn)各施工步下構(gòu)件的應(yīng)力比均小于1,網(wǎng)架拼裝過程中的構(gòu)件承載力滿足要求。

b.按照施工模擬結(jié)果設(shè)計的施工方案進行網(wǎng)架安裝時,拉索位移變形量施工監(jiān)測結(jié)果均在規(guī)范允許范圍之內(nèi),說明運用“循序安裝、左側(cè)往右側(cè)合龍、由南至北”的散裝順序原則進行網(wǎng)架安裝過程變形控制的設(shè)計思路是可行的,可以有效控制大跨度平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變形。

c.隨著網(wǎng)架安裝進度的推進,所測桿件的變形和內(nèi)力逐步收斂,說明結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形控制良好,進一步證明了所提出的施工模擬方法以及高空散裝優(yōu)化方案適用于跨度要求較大的平板網(wǎng)架工程,監(jiān)測方法可為相關(guān)項目提供借鑒。