大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工模擬分析

王 棋

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)因其使用空間大、造型美觀、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，在體育館、藝術(shù)館、交通樞紐等公共建筑中得到廣泛應(yīng)用。但大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工難度大且周期長，在整個(gè)施工過程中其受力狀態(tài)也在不斷改變，施工荷載、邊界條件、結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化都會(huì)影響構(gòu)件的最大應(yīng)力和最大位移。因此，為保障大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的安全性，控制結(jié)構(gòu)施工滿足規(guī)范要求，有必要進(jìn)行施工階段模擬分析[1-2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析做了大量研究。張君等[3]通過對(duì)天水體育中心游泳館屋蓋結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算及現(xiàn)場追蹤監(jiān)測的分析對(duì)比，研究了施工方案的可靠性及結(jié)構(gòu)的安全性；李志強(qiáng)等[4]通過模擬分析對(duì)比了4種大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工方案，提出了基于應(yīng)力比和變形值最小偏差的方案有效性評(píng)判原則；仝曉莉等[5]研究了施工過程中溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，表明考慮安裝溫度與否會(huì)引起施工時(shí)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移與桿件軸力計(jì)算結(jié)果的較大偏差。

本文針對(duì)某大型體育館的大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，利用Midas Gen有限元軟件模擬分析屋蓋結(jié)構(gòu)裝配、臨時(shí)支撐拆除等重要施工步驟，研究施工過程中結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，為工程施工方案提供理論支撐，并為此類工程的施工分析提供參考。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

該體育館屋蓋為大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，整體建筑造型呈貝殼狀起伏，結(jié)構(gòu)外形接近橢球殼狀。屋蓋結(jié)構(gòu)的平面投影呈橢圓形，短軸為152 m，長軸為243 m，短軸剖面最大矢跨比為1/7，長軸剖面最大矢跨比為1/14，屋蓋最高點(diǎn)標(biāo)高約32 m。長軸方向架設(shè)一道長243 m的主桁架，屋蓋短軸主受力方向共布置25道拱形鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架主梁，屋蓋的支座將南北向桁架主梁分為3跨，中間主跨度為94.8 m，兩端跨跨度均為12.6～23.6 m。屋蓋平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)三維模型

1.2 施工方案

針對(duì)體育館屋蓋跨度大、桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，并綜合考慮施工場地條件及類似工程施工經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)采用分塊吊裝、高空拼接等方法進(jìn)行安裝。

(1)為了保證施工過程中主桁架和邊桁架的穩(wěn)定性，根據(jù)屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)，在東西向主軸線上的中心點(diǎn)處，以及左右兩端距離中心點(diǎn)59 m處設(shè)置3個(gè)四肢格構(gòu)式支撐胎架，胎架模型及搭設(shè)位置如圖2所示。

圖2 胎架結(jié)構(gòu)模型及胎架布置

(2)先利用胎架組裝搭建東西向長跨主桁架，然后從主桁架的一端安裝邊桁架，再以主桁架為中軸線在其左右兩側(cè)對(duì)稱安裝桁架主梁及次桁架。

(3)桁架主梁和次桁架按照順序從主桁架西端開始往東端進(jìn)行安裝，當(dāng)安裝到主桁架的3/4跨位置處時(shí)，又在主桁架的東端安裝邊桁架，再將剩下的1/4跨的桁架安裝完整。

(4)最后在局部安裝封閉桁架和聯(lián)系桁架，然后按順序卸載臨時(shí)支撐胎架。

2 施工模擬

由于在施工過程中，隨著桁架結(jié)構(gòu)單元、結(jié)構(gòu)剛度、邊界條件以及施工荷載的不斷改變，已安裝好的鋼結(jié)構(gòu)會(huì)不斷產(chǎn)生內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)自身的力學(xué)屬性也在不斷變化。本文采用有限元軟件Midas Gen對(duì)體育館屋蓋的整個(gè)施工過程進(jìn)行模擬分析，研究結(jié)構(gòu)在不同施工階段的受力及變形情況。

計(jì)算模型結(jié)構(gòu)主要包括上弦桁架、下弦桁架以及腹桿3部分，所有桿件均采用熱軋無縫鋼管。桿件均采用Q345B級(jí)鋼材，屈服強(qiáng)度為345 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，材料容重為7 698 kg/m3。上弦桿大部分截面為φ159×6 mm和φ245×14 mm，下弦桿大部分截面為φ351×12 mm和φ402×16 mm，支撐胎架截面采用HW300×300×10×15 mm。所有構(gòu)件統(tǒng)一采用6自由度的梁單元模擬。屋蓋內(nèi)圈南北兩側(cè)采用有彈性約束的支座鉸接固定，其余內(nèi)圈支座采用單向固定鉸接；外圈支座均采用雙向固定鉸接；胎架與屋蓋主桁架之間的節(jié)點(diǎn)采用剛性連接。施工過程中的荷載為結(jié)構(gòu)桿件自重，考慮到施工材料、構(gòu)件節(jié)點(diǎn)重量的折算以及結(jié)構(gòu)的安全性，自重系數(shù)取1.2。

在結(jié)構(gòu)施工模擬分析過程中，根據(jù)施工方案中不同安裝階段結(jié)構(gòu)拼裝的實(shí)際情況，將不參與整體結(jié)構(gòu)分析的構(gòu)件“鈍化”，并依照分段安裝順序?qū)?gòu)件逐次“激活”，以模擬構(gòu)件安裝過程中每一階段真實(shí)的力學(xué)性能變化。在屋蓋主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部安裝完后，同樣使用“鈍化”模擬支撐胎架的拆除，對(duì)支撐胎架卸載后的整體結(jié)構(gòu)受力變形情況進(jìn)行驗(yàn)算分析。建立的有限元結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 施工模擬有限元模型

3 結(jié)果分析

屋蓋裝配過程復(fù)雜冗長，胎架拆除過程又極為關(guān)鍵，所以結(jié)合主桁架跨度和胎架位置劃分吊裝單元，綜合考慮拼裝過程中的最不利情況，選擇了8個(gè)關(guān)鍵施工步驟結(jié)果進(jìn)行分析，各步驟下的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力如圖4、圖5所示，其中步驟8為支撐胎架卸載后結(jié)構(gòu)整體的受力變形情況。由圖4、圖5可以看出，在屋蓋結(jié)構(gòu)裝配全過程中，除步驟2外其余步驟最大位移除均出現(xiàn)在主桁架中間兩跨的跨中位置，最大應(yīng)力出現(xiàn)在主桁架與胎架連接處的腹桿上。步驟2的最大位移出現(xiàn)在裝配好的邊桁架的兩端，這是因邊桁架兩端無支撐而處于懸臂狀態(tài)。在其中整個(gè)安裝過程中的最大位移和最大應(yīng)力均出現(xiàn)步驟5，表明這是鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的最不利情況。該步驟下位移最大值為39.47 mm，最大位移與跨度比值為1/1 495，遠(yuǎn)小于規(guī)范容許值1/400；此刻的最大應(yīng)力值為188.65 MPa，小于應(yīng)力屈服值345 MPa。

由步驟3到步驟7可以看出，隨著主梁和次桁架在主桁架上的不斷裝配，桁架構(gòu)件在結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)過程中不斷發(fā)生內(nèi)力重分布，最終形成穩(wěn)定受力體系。最大豎向位移值先不斷增大，達(dá)到步驟5的最大值后又逐漸減小；最大應(yīng)力值在桁架未形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系時(shí)增幅明顯，當(dāng)形成穩(wěn)定桁架單元后最大應(yīng)力值也達(dá)到穩(wěn)定，變化值很小。步驟8為支撐胎架卸載后屋蓋結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，其最大位移出現(xiàn)在整體桁架結(jié)構(gòu)的中心處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)圈支座節(jié)點(diǎn)處，最大位移值為65.60 mm，最大應(yīng)力值為256.82 MPa，均滿足規(guī)范要求。對(duì)比步驟7和步驟8可以看出，在胎架拆除后桁架的最大豎向變形由中間兩跨的跨中向屋蓋中心位置轉(zhuǎn)移，最大位移值的增幅達(dá)81%；最大應(yīng)力值由胎架支撐處向結(jié)構(gòu)周圍擴(kuò)散，卸載前后增幅達(dá)41.4%，說明臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)受力較大，拆除后結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的內(nèi)力重分布。

4 結(jié)論

本文對(duì)某體育館屋蓋結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行模擬分析，根據(jù)施工方案對(duì)8個(gè)典型工況的最大應(yīng)力和位移進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果表明，在屋蓋桁架裝配過程中，最大位移為39.47 mm，最大應(yīng)力為188.65 MPa，滿足規(guī)范要求和承載力極限狀態(tài)要求，說明該結(jié)構(gòu)在各施工階段均處于安全狀態(tài)；臨時(shí)支撐胎架受力較大，卸載后結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的內(nèi)力重分布。模擬結(jié)果為該工程施工過程的安全性提供了理論支撐，并為類似工程的施工模擬分析提供了參考。

圖5 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖