衡山體育館空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)施工過程模擬研究

楊再清

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430083）

近些年，在鋼結(jié)構(gòu)迅猛發(fā)展的同時(shí)結(jié)構(gòu)形式也越來越復(fù)雜，導(dǎo)致其施工難度不斷增大，對(duì)結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行研究就顯得非常重要。從20世紀(jì)90年代起，隨著一些大跨度鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，我國(guó)開始逐步對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架吊裝施工技術(shù)進(jìn)行研究，積累了不少大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系的施工技術(shù)[1]。雖然已有大量學(xué)者和專家對(duì)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)施工過程做了較為深入的研究。但由于空間鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式的多樣性，目前為止仍然沒有形成一個(gè)系統(tǒng)的理論體系，也沒有規(guī)范對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工階段作出明確的規(guī)定[2]。

衡山體育館采用混凝土框架結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)形式多樣復(fù)雜，有必要對(duì)其施工過程中關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，為保證安全和提高結(jié)構(gòu)拼裝精度提供一個(gè)理論支持。本文以衡山體育館混凝土框架結(jié)構(gòu)+鋼結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系為研究對(duì)象，采用MIDAS GEN有限元軟件建立空間結(jié)構(gòu)分析模型，根據(jù)預(yù)定鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案，對(duì)其施工階段的分塊吊裝，結(jié)構(gòu)拼裝，臨時(shí)支撐卸載等重要步驟進(jìn)行分析，研究施工階段中各結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形控制性指標(biāo)[3]，為此類結(jié)構(gòu)的施工吊裝過程提供安全可靠的施工方案和理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

衡山體育館為空間鋼管桁架和混凝土框架組合結(jié)構(gòu)，空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)整體造型為半圓形殼體結(jié)構(gòu)，且通過均勻分布在結(jié)構(gòu)邊緣的24根斜向鋼柱作用于圓形混凝土框架上，衡山體育館結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 衡山體育館結(jié)構(gòu)示意圖

桁架結(jié)構(gòu)玄桿和腹桿采用圓形無(wú)縫鋼管，桁架柱采用箱型鋼板，鋼材強(qiáng)度等級(jí)均為Q345B，主要構(gòu)件截面尺寸和材料表如表1所示。屋架跨度為63～96 m，屋頂高度為30.782 m，屋面直徑為82.653 m。衡山體育館空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)形式不規(guī)則，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜多變，施工吊裝難度較大，有必要制定切實(shí)可行的施工方案，確保吊裝過程中結(jié)構(gòu)的安全性和拼裝精度。

表1 主要構(gòu)件截面尺寸和材料表

1.2 施工方案介紹

受現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地條件的限制，鋼結(jié)構(gòu)安裝施工不能夠使用大型吊裝設(shè)備?；浦ё聻?8 m高混凝土環(huán)形圈梁，內(nèi)側(cè)為3.5～13.2 m高看臺(tái)，無(wú)法采用整體提升要求；受工期制約無(wú)法采用滿堂腳手架散拼方式。

根據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)條件和施工難點(diǎn)的分析，采用分片高空對(duì)接散拼安裝方法，在管桁架屋蓋中心搭設(shè)鋼管柱支撐平臺(tái)和節(jié)點(diǎn)處設(shè)置鋼管柱臨時(shí)支撐方式，依靠?jī)蓚?cè)外包式剛接腳柱鋼管柱組成支撐平臺(tái)，桁架上段和支管高空散拼，兩榀桁架下段組成拼裝單元，同時(shí)對(duì)稱吊裝完成拼接固定，然后將若干水平桿和腹桿散拼連接固定，逐步成殼體的方法。

2 吊裝單元分析

2.1 吊裝單元?jiǎng)澐?/h3>

根據(jù)吊車起重重量和現(xiàn)場(chǎng)情況將結(jié)構(gòu)分為4種單元類型，為保證吊裝單元在吊裝過程中始終保持固定的角度，就需要吊裝單元的吊點(diǎn)位置必須和單元重心處于同一條豎直線上。不規(guī)則單元的重心可采用彎矩平衡的原理來確定。

2.2 吊裝分析

在吊裝過程中，單元主要考慮重力作用，近似采取靜力計(jì)算方法來分析單元的內(nèi)力變化情況，另外考慮起吊時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載效應(yīng)，內(nèi)力計(jì)算時(shí)考慮動(dòng)力系數(shù)，單元的變形采用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算。

同理，分別對(duì)其他3類拼裝單元進(jìn)行分析，具體結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明：對(duì)比4種類型的單元，所有吊裝單元最大應(yīng)力比為0.324，最大變形為7.613 mm。整體上，所有的單元應(yīng)力比都小于1，豎向變形都小于跨度的1/400，所有單元都處于彈性工作狀態(tài)。

表2 各拼裝單元的分析結(jié)果

3 施工全過程分析

3.1 吊裝過程分析

整體模型分為7個(gè)吊裝步驟，對(duì)每一個(gè)吊裝步驟完成后，分析鋼結(jié)構(gòu)的受力與變形規(guī)律，并指導(dǎo)下一步吊裝順序，直到所有吊裝單元全部完成。

在拼裝過程中，體系變化相對(duì)穩(wěn)定，未出現(xiàn)應(yīng)力與豎向位移突然變大的情況。

3.2 卸載過程分析

根據(jù)施工方案討論，拼裝過程完成后，擬定臨時(shí)支撐拆除順序分為3個(gè)步驟，如下拆除順序，拆除鋼結(jié)構(gòu)跨中臨時(shí)支撐→拆除中心處臨時(shí)鋼管柱→拆除外邊緣24根臨時(shí)支撐。

鋼結(jié)構(gòu)在拆除臨時(shí)支撐之后，結(jié)構(gòu)完整性更好，結(jié)構(gòu)受力更加合理，最大應(yīng)力區(qū)域置發(fā)生在鋼結(jié)構(gòu)上弦主肋位置和中心位置斜向腹桿位置，因此，上弦主肋位置和中心位置斜向腹桿位置也是施工控制的關(guān)鍵。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)整體驗(yàn)算

施工階段完成后，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)按荷載的基本組合進(jìn)行驗(yàn)算。在基本組合作用下，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在主桁架上弦桿區(qū)域，最大應(yīng)力為141.32 MPa，最大應(yīng)力比為0.82，滿足承載力極限狀態(tài)要求；最大豎向位移為60.09 mm，滿足規(guī)范要求的跨度1/400限值。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)4種不同的吊裝單元確定吊點(diǎn)具體位置，然后進(jìn)行吊裝模擬分析，結(jié)果表明，所有吊裝單元最大應(yīng)力比為0.324，最大變形為7.613 mm，所有的吊裝單元應(yīng)力比都小于1，豎向變形都小于跨度的1/400，滿足吊裝安全要求和拼裝精度要求。在基本組合作用下，鋼管桁架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為141.32 MPa，最大應(yīng)力比為0.82，滿足承載力極限狀態(tài)要求；最大豎向位移為60.09 mm，滿足規(guī)范要求。本鋼結(jié)構(gòu)施工方法為工程的順利實(shí)施提供一個(gè)強(qiáng)有力的理論支持，也可以為今后類似工程項(xiàng)目積累施工經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)意義。