季 文 李鑫奎
1. 上海建工集團海外事業(yè)部 上海 200032; 2. 上海建工集團工程研究總院 上海 201114
青島溫泉國際博覽中心由10 個標準展館、2 個登錄大廳和1 個多功能廳組成,本單位承擔其中2 個標準展館和1 個北登錄大廳的施工(圖1)。標準展廳長寬為70.5 m×171.7 m,高度為17.8 m,鋼屋蓋為管桁架,管桁架跨度為68.3 m,桁架最高處為4.9 m。北登錄大廳為長彎形,長寬為36.2 m×160.3 m,高度為20.18 m,鋼屋蓋為長度52.8 m的管桁架,跨度27.8 m,懸挑15 m。
圖1 工程結(jié)構示意
標準展廳鋼結(jié)構吊裝施工期間,四周結(jié)構柱已經(jīng)完成,兩側(cè)附房剛開始施工,展館中間電纜溝即將開挖施工,隨后混凝土地面施工。
展廳沒有采用支撐分段吊裝施工的條件。通過研究分析,標準展廳采用整體吊裝方案較為適合。整榀桁架采用雙機抬吊方式進行吊裝,履帶吊自一端開始吊裝,然后逐步后退,最后從另一側(cè)附房側(cè)面預留空間處退出(圖2)。
圖2 標準展廳整體吊裝流程示意
北登錄廳鋼結(jié)構吊裝期間施工室內(nèi)電纜溝以及混凝土地坪,但由于Y形柱的存在可作為支撐進行分段吊裝。桁架吊裝時采用單機吊裝,先吊裝主柱與Y形柱之間桁架,然后再拼裝Y形柱外側(cè)部分(外側(cè)需要支設臨時支撐進行固定)。
吊裝前需要對整榀桁架進行吊裝驗算,通過仿真計算分析確定吊裝是否安全可靠,是否需要采取其他措施。
本工程的工況分析采用通用有限元分析設計軟件MIDAS/Gen,計算時考慮構件自重、起吊沖擊,計算采用梁單元進行模擬,約束采用約束吊點處豎向位移,同時約束其中一個吊點的其他2 個方向線位移。計算結(jié)果如圖3所示。
圖3 整榀橇架吊裝計算結(jié)果
由計算結(jié)果可知,桁架吊裝過程中豎向位移為(Dz)50 mm,最大變形發(fā)生在跨中位置。平面外變形(Dx)0.4 mm,最大變形發(fā)生在跨中1/4、3/4位置。構件最大拉應力為36 MPa,最大壓應力為-47 MPa,分析可知,雙機抬吊不會造成桁架平面外失穩(wěn),吊裝過程中桁架自身變形和受力均滿足規(guī)范要求。
標準展館端部懸挑桁架上部與主桁架交叉,下部與懸挑鋼梁相連,形成了懸挑鋼梁、端部懸挑桁架、鋼管主桁架三者共同的受力體系(圖4)。
圖4 標準展館端部結(jié)構示意
由上圖分析可知:(a)種結(jié)構鋼桁架上部外伸較短對下部懸挑鋼梁和主桁架影響較小。(b)種結(jié)構對懸挑鋼梁和主桁架影響較大,如施工工藝不合理容易造成主桁架受到較大上挑力,懸挑鋼梁受到向下壓力,這對主桁架和懸挑鋼梁的安全及懸挑鋼梁處標高控制極為不利。
通過采用有限元仿真計算得到以下結(jié)果(圖5、圖6)。由圖5、圖6可知,主桁架吊裝后跨中最大撓度為50.5 mm。端部懸挑桁架施工完成后主桁架跨中最大撓度變?yōu)?4.6 mm,一層懸臂鋼梁最大撓度為12 mm,由此可見端部桁架對主桁架標高變化影響達25 mm。
由應力云圖計算結(jié)果可知結(jié)構應力分布于80~-90 MPa之間,遠小于材料容許應力,吊裝施工結(jié)構處于安全狀態(tài)。
圖5 端橋架變形
圖6 端橋架應力
綜上,端桁架對主桁架變形影響較大,主桁架進行預變形時應充分考慮端桁架的影響,同時端桁架的1層懸挑段在進行標高定位時,也應該考慮端桁架變形對懸挑部分變形的影響。
北登錄廳鋼結(jié)構施工難點主要在于懸挑區(qū)域施工及施工過程中V形鋼柱的穩(wěn)定性及精準度,因此施工前需要對吊裝過程進行全面模擬分析。北登錄廳由于外側(cè)混凝土柱剛度較大對計算結(jié)果影響較小,故建模過程中以約束代替混凝土柱。由建模結(jié)果可知,V形鋼柱右側(cè)端頭位移最大Dy達到19.3 mm,由于鋼管桁架桿件拼裝精度極為關鍵,相貫線是否標準直接影響結(jié)構的受力,因此柱頭出現(xiàn)向內(nèi)19.3 mm的位移應予以充分考慮,即右端V形鋼柱安裝時應予以預先偏移,待V形鋼柱安裝完成后其柱頭位置與設計相符。
通過分析,解決了標準展廳、北登錄廳施工過程中遇到的各種復雜難題。有限元仿真分析的應用,是本工程成功的另一個關鍵,全過程的仿真計算,明確了各施工階段結(jié)構的受力狀態(tài),對工程技術人員提前預知結(jié)構受力提供了條件。精準的預變形計算為后續(xù)鋼桁架連接,屋面系統(tǒng)施工提供了有力條件。