大跨度平板鋼網(wǎng)屋架結(jié)構(gòu)整體提升施工過(guò)程力學(xué)分析

王文芳（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅　蘭州730070）

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大跨度平板鋼網(wǎng)屋架結(jié)構(gòu)整體提升施工過(guò)程力學(xué)分析

王文芳
（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730070）

摘要：目前國(guó)內(nèi)建成的鋼網(wǎng)屋架多為曲面結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架與桁架的組合結(jié)構(gòu)，施工方法主要采用高空散裝法、分條分塊安裝法、高空滑移法、整體吊裝法等技術(shù)。對(duì)于場(chǎng)地狹小、施工干擾大、網(wǎng)架跨度大的平板結(jié)構(gòu)鋼網(wǎng)屋架多采用整體提升或頂升法施工，這兩種施工方法的特點(diǎn)是施工功效高、成本低，鋼網(wǎng)屋架區(qū)部受力敏感、變形控制難度大。因此采用這兩種方法施工時(shí)要對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工受力情況進(jìn)行精確的驗(yàn)算，對(duì)薄弱部位合理的加固，以減小施工變形，以確保施工質(zhì)量。本文以某客車整備棚平板式鋼網(wǎng)架為工程實(shí)例，研究平板結(jié)構(gòu)鋼網(wǎng)屋架整體提升時(shí)的吊點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程的受力情況，合理的設(shè)計(jì)了9處提升吊點(diǎn)，計(jì)算了施工過(guò)程中網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)的位移、桿件的受力和應(yīng)力情況，依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)薄弱桿件進(jìn)行更換和加固，最終順利完了鋼網(wǎng)屋架的施工。

關(guān)鍵詞：大跨度；平板鋼網(wǎng)屋架；整體提升；力學(xué)分析

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大跨度鋼網(wǎng)屋架在建筑工程中的應(yīng)用日益廣泛，我國(guó)已經(jīng)建成的鋼網(wǎng)屋架主要用于機(jī)場(chǎng)、高鐵車站、工業(yè)廠房、大型公共設(shè)施等，鋼網(wǎng)屋架也多采用曲面結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架與桁架的組合結(jié)構(gòu)，其施工技術(shù)可以總結(jié)為高空散裝法、分條分塊安裝法、高空滑移法、移動(dòng)支架安裝法、整體提升或頂升法等［1］，對(duì)于結(jié)構(gòu)和施工環(huán)境復(fù)雜的大型鋼網(wǎng)屋架多采用整體提升或頂升法施工［2-8］，如潮汕機(jī)場(chǎng)鋼網(wǎng)架屋蓋、上海虹橋機(jī)場(chǎng)東航機(jī)庫(kù)屋頂網(wǎng)架、上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)A380大修機(jī)庫(kù)鋼屋蓋、浦東機(jī)場(chǎng)波音機(jī)庫(kù)鋼屋蓋、西飛公司369號(hào)飛機(jī)總裝廠房鋼網(wǎng)架屋蓋、西安東航維修基地新機(jī)庫(kù)鋼屋蓋等，均采用了整體提升法施工，整體提升法施工的難點(diǎn)在于如何解決提升設(shè)備的同步問(wèn)題，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的局部受力變形問(wèn)題。本文以某客車整備棚平板式鋼網(wǎng)架為工程實(shí)例，研究采用整體提升施工時(shí)的吊點(diǎn)布設(shè)，計(jì)算各種施工工況下的網(wǎng)架受力變形狀況，然后依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)和桿件進(jìn)行合理的抽換和加固，以保證施工質(zhì)量和安全。

1　工程概況

某客車整備棚鋼網(wǎng)架為正交正放四角錐平板式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架覆蓋面積32330m2，1～15軸、41～68軸為雙層螺栓球網(wǎng)架，16～40軸為三層螺栓球網(wǎng)架（如圖1所示）。桿件選用Q345B，直縫鋼管，螺栓球?yàn)?5號(hào)鋼，高強(qiáng)螺栓選用GB3077中的20MnTiB 或40Cr，封板錐頭為Q345B鋼鍛件，套筒選用Q345B鋼。16～40軸間的三層螺栓球網(wǎng)架長(zhǎng)軸長(zhǎng)195m，短軸長(zhǎng)60m，面積11700m2，網(wǎng)架上弦找坡，自身高度為5.5m，下弦就位標(biāo)高為+11.300m。網(wǎng)架總重量約為580t，東西兩側(cè)為既有鐵道和道路，由于下部存在公路隧道隧道下穿的情況，網(wǎng)架局部跨度達(dá)到78m，采用整體提升法施工。

2　整體提升方案設(shè)計(jì)

16～40軸的三層螺栓球網(wǎng)架跨度大、噸位大、桿件數(shù)量、規(guī)格眾多，面積達(dá)到11700m2，支座為多點(diǎn)不規(guī)則布置，且有隧道下穿經(jīng)過(guò)。受工期的限制，東西兩側(cè)1～15軸、41～68軸的雙層螺栓球網(wǎng)架已經(jīng)采用小面積起吊法拼裝完成，而南北兩側(cè)受鐵道和道路的限制，無(wú)法采用高空滑移和高空散拼法施工，故采用原位拼裝網(wǎng)架后，整體提升法安裝。

采用原位拼裝整體提升法施工的原理是，先在原地面拼裝網(wǎng)架，預(yù)留混凝土立柱部分和提升塔架部分的桿件不安裝，然后選擇合理的吊點(diǎn)起吊，逐步提升至設(shè)計(jì)高度以上，安裝支座及混凝土立柱部位預(yù)留的桿件，然后逐步下落網(wǎng)架于混凝土立柱上，最后拆除提升塔架、安裝塔架部位預(yù)留的桿件完成安裝。

純平板結(jié)構(gòu)鋼網(wǎng)架屋蓋相比于網(wǎng)架桁架組合屋架，其結(jié)構(gòu)對(duì)于區(qū)部受力狀態(tài)的變化更敏感，提升過(guò)程中網(wǎng)架變形控制難度很大，需要對(duì)提升工況的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的驗(yàn)算，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的加固，以減小施工變形，以滿足網(wǎng)架自身強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面的要求。

3　鋼網(wǎng)架吊點(diǎn)設(shè)計(jì)及施工過(guò)程受力檢算

3.1鋼網(wǎng)架吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，吊點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下問(wèn)題：①由于鋼網(wǎng)架面積大，為平板結(jié)構(gòu)，吊點(diǎn)盡量布設(shè)在支座附近，確保吊點(diǎn)受力狀態(tài)最接近支座的工作時(shí)的受力狀態(tài)，以減少桿件更換和加固的數(shù)量。②支撐柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在鋼網(wǎng)屋架提升前施工完成，網(wǎng)架提升時(shí)預(yù)留混凝土支撐柱部位的桿件不安裝，吊點(diǎn)要避開(kāi)預(yù)留桿件部位。③隧道下穿部位的地基不能設(shè)置提升架，對(duì)應(yīng)的鋼網(wǎng)屋架部位不能設(shè)置吊點(diǎn)。

考慮以上三個(gè)因素，采用門式提升塔架結(jié)構(gòu)（如圖2所示），提升塔架處鋼網(wǎng)架桿件預(yù)留不安裝，鋼網(wǎng)架上設(shè)置了9處起吊點(diǎn)，在鋼網(wǎng)架E-F側(cè)設(shè)置4處吊點(diǎn)，分別為D1～D4，在E-D側(cè)也設(shè)置4處吊點(diǎn)，分別為D6～D9。由于在整備棚東邊跨D3～D4、D8～D9提升點(diǎn)跨度較大，E-E中軸線上設(shè)置D5吊點(diǎn)，減小D6～D9吊點(diǎn)的反力。

圖2　鋼網(wǎng)屋架整體起吊圖

3.2鋼網(wǎng)屋架施工過(guò)程受力檢算

整個(gè)施工過(guò)程可分為4個(gè)工況，采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)程序?qū)?種工況分別進(jìn)行受力檢算。第Ⅰ種工況為提升階段，提升吊點(diǎn)可以視為彈性餃接支座，整個(gè)網(wǎng)架相當(dāng)于局部抽空后落在9個(gè)彈性餃接支座上，檢算提升點(diǎn)桿件的受力變形情況，依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)變形較大桿件進(jìn)行加強(qiáng)；第Ⅱ種工況為提升到位后，補(bǔ)裝因混凝土柱而預(yù)留的網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)和桿件，整個(gè)網(wǎng)架相當(dāng)于落在9個(gè)彈性餃接支座上，此時(shí)的荷載較工況Ⅰ增加了預(yù)留桿件和節(jié)點(diǎn)的自重；第Ⅲ種工況為網(wǎng)架落在16個(gè)支撐柱支座上，9個(gè)彈性餃接支座不再受力；第Ⅳ種工況為網(wǎng)架落在16個(gè)支撐柱上進(jìn)行加強(qiáng)桿件抽換。

4種工況條件下的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

工況Ⅰ和工況Ⅱ是鋼網(wǎng)屋架的提升階段，此時(shí)網(wǎng)架的支撐點(diǎn)為9個(gè)，工況Ⅱ在工況Ⅰ的基礎(chǔ)上安裝了預(yù)留混凝土支撐柱處的網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)和桿件，節(jié)點(diǎn)增加了50個(gè)，桿件增加了400個(gè)；工況Ⅲ、工況Ⅳ為網(wǎng)架回落至支撐柱，此時(shí)的支撐點(diǎn)為16個(gè)，工況Ⅳ較工況Ⅲ荷載增加了，節(jié)點(diǎn)增加了18個(gè)，桿件增加了216個(gè)。工況Ⅲ和工況Ⅱ的節(jié)點(diǎn)、桿件均未發(fā)生變化，只是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支撐點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)化，由9點(diǎn)支撐變?yōu)?6點(diǎn)支撐。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，四種工況吊點(diǎn)及支點(diǎn)處反力值見(jiàn)表2，工況Ⅰ和工況Ⅱ?yàn)樘嵘A段，D2吊點(diǎn)處的反力最大，兩種工況時(shí)的反力分別達(dá)到了1048KN和1098KN；工況Ⅲ和工況Ⅳ為網(wǎng)架回落至支撐柱時(shí)的狀況，Z8支點(diǎn)處的反力最大，兩種工況時(shí)的反力分別達(dá)到了1649kN和1942kN。

節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，對(duì)比計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工況Ⅰ的X、Y、Z向位移最大，其位移值分別為-5.4mm、4.7mm和-49.3mm；這是因?yàn)楣rⅠ中部分吊點(diǎn)處桿件抽空，致使桿件應(yīng)力集中，發(fā)生變形引起位移過(guò)大，工況Ⅱ補(bǔ)裝了抽空部分桿件，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到改善，節(jié)點(diǎn)位移相對(duì)變小。工況Ⅲ和工況Ⅳ只是在更換桿件，節(jié)點(diǎn)位移基本無(wú)變化。

表1　四種工況計(jì)算參數(shù)

表2　吊點(diǎn)和支點(diǎn)處反力值

表3　節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果

表4　桿件最大應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果

桿件最大受力及應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，工況Ⅰ、工況Ⅱ桿件最大壓力變化較大，最大拉力基本無(wú)變化；工況Ⅲ和工況Ⅳ最大拉壓力均無(wú)明顯變化，桿件最大應(yīng)力比為0.98，均小于1，故各種工況中沒(méi)有超應(yīng)力桿件。

為了確保網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工安全，考慮安全系數(shù)后，將應(yīng)力比超過(guò)0.9的桿件更換為加強(qiáng)型桿件，計(jì)算得出工況Ⅰ中發(fā)現(xiàn)應(yīng)力比大于0.9的桿件多達(dá)70條（見(jiàn)表5），工況Ⅱ中存在應(yīng)力比大于0.9的桿件與工況Ⅰ相同，但數(shù)量減少，工況Ⅲ、工況Ⅳ沒(méi)有應(yīng)力比超過(guò)0.9的桿件；逐一更換工況Ⅰ中應(yīng)力比超0.9的桿件為加強(qiáng)型桿件后，再次檢算沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力比超0.9的桿件。

表5　應(yīng)力比超0.9的桿件統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)以上計(jì)算，可以看出提升階段吊點(diǎn)的最大反力小于回落至支撐柱時(shí)支座的最大反力，提升階段工況Ⅱ?yàn)樽畈焕r，網(wǎng)架回落至支撐柱時(shí)工況Ⅳ為最不利工況，節(jié)點(diǎn)最大位移在容許范圍之內(nèi)，各種工況沒(méi)有超應(yīng)力桿件。在后續(xù)的施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照計(jì)算結(jié)果將應(yīng)力比超過(guò)0.9的桿件更換為高強(qiáng)桿件后，網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)位移在規(guī)范容許范圍之內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生桿件變形扭曲，順利完成了施工（如圖3所示）。

圖3　鋼網(wǎng)屋架吊裝完成就位圖

4　結(jié)論

純平板結(jié)構(gòu)鋼網(wǎng)架屋蓋相比于網(wǎng)架桁架組合屋架，其結(jié)構(gòu)對(duì)于區(qū)部受力狀態(tài)的變化更敏感，提升過(guò)程中網(wǎng)架變形控制難度很大，通過(guò)制定合理的提升方案，并對(duì)提升工況的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的驗(yàn)算，得出各種工況下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中桿件的最大受力與應(yīng)力比，節(jié)點(diǎn)位移等參數(shù)，對(duì)軟弱部件進(jìn)行更換和加固，順利完成了施工，總結(jié)如下結(jié)論：

1）安裝大跨度純平板結(jié)構(gòu)鋼網(wǎng)架屋蓋受狹小空間限制時(shí)，采用原位拼裝后提升的施工工藝是可行的，但是施工工序要進(jìn)行嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)檢算，確保結(jié)構(gòu)變形控制在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

2）采用9個(gè)吊點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)架提升的設(shè)計(jì)思路合理，吊點(diǎn)盡量靠近支點(diǎn)部位可使節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)最接近支座的工作時(shí)的受力狀態(tài)，對(duì)整個(gè)網(wǎng)架體系的影響最少，提升時(shí)產(chǎn)生的超應(yīng)力桿件的更換量也最少。

3）網(wǎng)架提升階段，因預(yù)留混凝土支撐柱處的網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)和桿件使鋼網(wǎng)屋架局部抽空，出現(xiàn)吊點(diǎn)處個(gè)別桿件應(yīng)力集中，節(jié)點(diǎn)位移最大，應(yīng)力比超0.9的桿件達(dá)到70根，施工時(shí)將這些桿件替換為高強(qiáng)桿件后順利完成施工，節(jié)點(diǎn)位移和桿件應(yīng)力均在規(guī)定范圍之內(nèi)。

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