大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋吊裝與卸載全過程模擬分析

李廣地 李先猛

1.長江精工鋼結(jié)構(gòu)（集團）股份有限公司 安徽 六安 237000；

2.通州建總集團有限公司徐州分公司 江蘇 徐州 221600

引言

近年來，隨著全民健身正式上升為國家戰(zhàn)略，各地方為構(gòu)建高水平的全民健身公共服務(wù)平臺以及提高居民生活的幸福感，各地方的全民體育館工程應(yīng)運而生。體育館的屋面結(jié)構(gòu)大部分為大跨度鋼結(jié)構(gòu)，而大跨度結(jié)構(gòu)規(guī)模大，施工周期長，施工過程復(fù)雜多變，并且整個施工過程是分階段進行的，不同的施工階段結(jié)構(gòu)具有不同的受力狀態(tài)，隨著工程進度的變化，結(jié)構(gòu)的整體受力以及位移都會存在大幅度變化的風(fēng)險，因此在施工前期，對于大跨度結(jié)構(gòu)施工選擇科學(xué)合理的施工方案，以及有效的施工模擬，對保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)的安全性具有重大意義[1]。

目前，很多學(xué)者對大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程模擬進行了大量研究。鄒孔慶等[2]采用大型有限元分析軟件對鳳陽體育館的鋼屋蓋進行了三維結(jié)構(gòu)計算模擬，驗證了施工過程的安全性、結(jié)構(gòu)成型的合理性。吳晶晶[3]對賴陽體育場鋼結(jié)構(gòu)的頂升和卸載進行施工全過程仿真模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計出搖擺柱的限位工裝，對實際施工給以科學(xué)指導(dǎo)。王秀麗等[4]采用Midas Gen有限元軟件對某大型體育館鋼結(jié)構(gòu)進行施工過程仿真模擬分析，并將結(jié)果與不同的加載工況進行對比分析，一次加載的結(jié)果顯著小于施工階段分析的結(jié)果。吳窮等[5]采用Midas Gen對武漢光谷網(wǎng)球中心按照施工順序進行全過程的仿真分析，并將有限元分析結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，驗證了有限元模擬的正確性和施工方案的合理性。田黎敏等[6]對大跨度鋼屋蓋的同步提升施工進行了有限元模擬，并通過不同的提升分析，提出了“單、隔點組合不同步分析法”，并給出了減輕提升不同步性的措施。范重等[7]對國家體育場鋼結(jié)構(gòu)采用逐步“激活”單元技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)安裝過程進行模擬計算，結(jié)果表明，施工的順序?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形有顯著的影響。

綜上所述，大跨度鋼結(jié)構(gòu)由于自身結(jié)構(gòu)的特性，其施工過程對最終結(jié)構(gòu)的是否安全使用至關(guān)重要。本文作者針對寶應(yīng)體育館大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)，采用Midas Gen有限元分析軟件，對鋼屋蓋的分段吊裝、卸載進行施工仿真模擬，通過施工非線性計算可以確定結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在施工過程中的薄弱之處，從而可以指導(dǎo)施工安裝過程中輔助措施的設(shè)置，為后續(xù)相同工程的施工提供建議。

1 工程概況

寶應(yīng)體育綜合館位于寶應(yīng)縣城南新城寶南湖南側(cè)，體育綜合館包含體育館、游泳館以及全民健身中心三大部分，由于寶應(yīng)是中國荷藕之鄉(xiāng)，體育館設(shè)計充分體現(xiàn)了這一元素，“三館合一”的體育館則似三朵含苞待放的荷花。同時，生態(tài)體育公園藝術(shù)建筑和寶南湖水面倒影效果非常突出。

體育館內(nèi)座位數(shù)3585個，屋面標(biāo)高15.00～25.937m，主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面采用平面鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系，水平投影跨度127m，其中平面鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系由7處縱向主桁架、4處橫向主桁架以及外圍的懸挑桁架和環(huán)桁架組成。

2 吊裝與卸載施工方案

由于體育館的屋面跨度大，故屋面的安裝是本工程的重難點。本項目的吊裝方案主要是由屋面吊裝方案來決定的。常用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝施工方法主要有：整體提升法、整體頂升法、高空散裝法、滑移法、整體吊裝法等[8]。根據(jù)體育館的結(jié)構(gòu)特征，屋面鋼結(jié)構(gòu)可供選擇的施工方案主要有按徑向分區(qū)整體提升的施工方案與高空對接整體卸載兩種方式。

體育館獨特的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了屋蓋部分整體提升不可行，原因有以下幾點：①整體提升需設(shè)多個吊點，提升不同步易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞；①屋蓋部分以平面主桁架和次桁架為主要承重桿件，平面外剛度差，提升過程屋蓋部分變形難以控制；③根據(jù)結(jié)構(gòu)情況，體育館內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)及三面看臺等土建設(shè)施完工后才能施工鋼結(jié)構(gòu)，不具備整體拼裝場地條件。綜合以上原因分析，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)平面桁架采用高空分段對接整體卸載的施工方法。

高空對接屬于結(jié)構(gòu)原位安裝，全過程無額外應(yīng)力增加，基本處于零應(yīng)力狀態(tài)下進行安裝。在拆除支撐后，結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計受力狀態(tài)，這樣結(jié)構(gòu)整體安全性就能夠把握。在每個小的結(jié)構(gòu)單元安裝完成后都自成體系，不影響其他工種的施工，對于混凝土結(jié)構(gòu)的施工也沒有特殊要求。在兩臺履帶吊進行吊裝施工的情況下，整個體育館的安裝工期也可以大大縮短。

3 構(gòu)件現(xiàn)場吊裝與卸載

3.1 現(xiàn)場吊裝驗算

體育館屋面主桁架的安裝精度決定著整個屋面的安裝精度。單根主桁架長度最長為106m，總重約為30噸，需要將其分為4段吊裝，單個吊裝單元的長度較長且剛度相對較弱。在吊裝過程中需要多點起吊，以防止其變形，另外在吊裝前需進行桁架吊裝驗算。構(gòu)件吊至指定位置后，通過構(gòu)件兩端的定位耳板進行定位，待耳板上的螺栓全部順利穿過后，表示定位完成。隨即擰緊螺栓，整個主桁架全部就位后，本著“單桿雙焊，雙桿單焊”的原則，開始對構(gòu)件進行焊接。焊接需滿足設(shè)計要求。在整根屋蓋圓鋼管主桁架焊接完畢后方可拆除耳板。（屋面主桁架分段吊裝詳見主結(jié)構(gòu)安裝總體流程。）主桁架吊裝過程中驗算分析：

圖1 HJ1-3吊裝過程驗算一

圖2 HJ1-3吊裝驗算二

3.2 支撐架卸載與拆除

為確保鋼結(jié)構(gòu)屋面在空中準(zhǔn)確對接，且在現(xiàn)場吊裝時需要控制應(yīng)力及撓度，即懸挑管桁架柱在分段吊裝就位時必須合理設(shè)置支撐架，確保其撓度變形在可控范圍內(nèi)。在屋面吊裝完畢后進行屋面桁架卸載。

在卸載時，根據(jù)“變形協(xié)調(diào)、卸載均衡”的原則，將通過放置在支架上的可調(diào)節(jié)點支撐裝置千斤頂，多次循環(huán)微量下降來實現(xiàn)“荷載平衡轉(zhuǎn)移”。具體卸載方法：首先將千斤頂頂升至一定高度后，移除頂部第一塊墊板（圖3-a），再緩慢降低千斤頂頂部標(biāo)高，如此反復(fù)，逐漸拆除墊板，待桁架不在下落時，卸載完畢，再移除千斤頂以及臨時支撐架（圖3-b、圖3-c）。由于在卸載過程中同一卸載步驟中的各支撐點無法做到絕對同步，支架支撐點卸載先后次序不同，其軸力必然造成增減，故需應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求或計算結(jié)果，在關(guān)鍵支架支撐點部位，放置檢測裝置（如貼應(yīng)變片），檢測支架支點軸力變化，確保臨時支架和桁架的安全。

圖3 卸載過程示意圖

4 全過程有限元分析

4.1 施工過程分析理論基礎(chǔ)

施工過程分析與傳統(tǒng)的工程設(shè)計計算主要有以下不同：一是作用的不是使用載荷，而是施工載荷，主要包括結(jié)構(gòu)自重、施工材料等，其特點是數(shù)值與位置隨時間發(fā)生變化；二是隨施工過程結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生變化，原本的結(jié)構(gòu)在施工過程中發(fā)生內(nèi)力重分布；三是每個施工過程都有自己特有的邊界條件，且隨著施工的進展邊界條件隨之改變結(jié)構(gòu)的剛度、邊界條件、施工荷載隨時間不斷變化，表征為時空演變的特性。因此，施工過程分析屬于時變力學(xué)的范疇。

本文采用有限元軟件Midas Gen的施工階段分析模塊模擬施工過程，每個施工階段模擬是通過定義任意時刻荷載的施加與解除、單元的產(chǎn)生與消失以及邊界條件的變化來實現(xiàn)。

4.2 模型參數(shù)信息

項目中以中國規(guī)范、規(guī)程以及業(yè)主提供的圖紙及招標(biāo)文件資料為依據(jù)。在施工模擬驗算過程中，考慮了結(jié)構(gòu)自重以及施工過程中所可能出現(xiàn)的荷載，并由程序自動計算。鋼結(jié)構(gòu)模型均選用兩節(jié)點、六自由度的frame單元模擬，該單元可以考慮拉（壓）、彎、剪、扭四種內(nèi)力的共同作用。

4.3 吊裝施工過程分析

通過有限元模擬對體育館鋼結(jié)構(gòu)的空中對接吊裝施工進行了施工模擬，并且將每一步吊裝安裝后的豎向位移進行云圖展示。在最開始的吊裝模擬中，最大豎向位移在外圍的圈梁上（圖6）；將兩側(cè)屋蓋主桁架吊裝上后，最大豎向位移位于主桁架的跨中位置；由于屋面中間的跨度較大，故在屋面中間設(shè)置臨時支撐，可以從圖中看出，最大豎向位移位于兩側(cè)屋蓋柱與中間臨時支撐的跨中位置，且豎向位移要明顯小于兩側(cè)屋蓋跨中位移，這是由于屋面中間的主桁架高度大于兩側(cè)屋面桁架高度，故屋面中間主桁架抗彎剛度較大，豎向位移較小。

從施工過程云圖（圖4～圖7）可以看出，在主桁架的跨中區(qū)域豎向位移最大，故在構(gòu)架加工過程中，對該部分進行了約65mm的預(yù)起拱，故驗算結(jié)果可以滿足設(shè)計要求。

圖4 柱上主桁架吊裝計算云圖

圖5 屋面兩側(cè)主桁架吊裝計算云圖

圖6 屋面中間主桁架吊裝計算云圖

圖7 吊裝完成云圖（未卸載）

4.4 卸載施工過程分析

由于鋼結(jié)構(gòu)相較于混凝土結(jié)構(gòu)而言剛度較小，存在較大撓度變形，因此卸載是鋼結(jié)構(gòu)施工的一大特點，同時也是一大難點和重點。

鋼結(jié)構(gòu)卸載，其實是對支撐架而言的。鋼結(jié)構(gòu)的卸載過程實際是鋼結(jié)構(gòu)的“負荷”過程，是鋼結(jié)構(gòu)由施工受力狀態(tài)向設(shè)計受力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。由于上文所述，結(jié)構(gòu)在卸載過程中會有較大變形，同時，由于卸載過程中又存在諸多不確定因素可能會造成結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的塑性變形，甚至是破壞，因此，選擇科學(xué)合理的卸載方式和次序是鋼結(jié)構(gòu)安全施工最重要的最后一步。

本項目中共分為三步進行鋼結(jié)構(gòu)卸載：第一步卸載鋼柱支撐系統(tǒng)；第二步卸載桁架內(nèi)部支撐系統(tǒng)；第三步卸載桁架外部支撐系統(tǒng)。在卸載過程中，屋面鋼結(jié)構(gòu)柱腳由施工狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｊ芎晒ぷ鳡顟B(tài)，其桿件的應(yīng)力狀態(tài)以及豎向位移關(guān)系著結(jié)構(gòu)能否正常使用。卸載過程中，各桿件的最大應(yīng)力比以及最大豎向位移見下表。

表1 最大應(yīng)力比和最大位移表

從表中數(shù)據(jù)可知，在卸載過程中屋面主桁架的桿件應(yīng)力比變化不大，但屋面的最大豎向位移隨著卸載過程逐漸增大，從圖中可以看出，完全卸載后最大豎向位移位于屋面跨中區(qū)域，這表明在實際施工時，需要對此區(qū)域進行預(yù)起拱處理，以達到設(shè)計要求。

圖8 卸載后最大豎向位移云圖

5 結(jié)束語

本文對寶應(yīng)體育館屋面鋼結(jié)構(gòu)施工全過程進行有限元模擬，對屋面的分段吊裝、卸載進行了詳細的分析與研究，可以得出以下主要結(jié)論：

通過施工全過程的仿真模擬，充分分析了大跨度結(jié)構(gòu)體系，選用科學(xué)合理的施工方案，完美實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念。

利用結(jié)構(gòu)體系特點，合理設(shè)置施工臨時支撐，有效降低了鋼結(jié)構(gòu)施工而產(chǎn)生的撓度，使得結(jié)構(gòu)能夠有效安全的使用。

通過有限元施工模擬，在現(xiàn)場施工時針對最大撓度位置進行預(yù)起拱處理，使得結(jié)構(gòu)更加有效合理的受力，最大豎向位移在規(guī)范的要求范圍內(nèi)。