大跨度桁架分段吊裝技術(shù)探討

【摘要】大跨度空間結(jié)構(gòu)屋面廣泛應(yīng)用于展覽館、展廳和機(jī)場(chǎng)等大型公共建筑中，其安裝技術(shù)，仍是建筑技術(shù)研究重要課題之一。結(jié)合某航站樓工程屋面大跨度桁架工程，對(duì)吊裝過程中涉及的吊點(diǎn)布置以及吊裝過程中應(yīng)力及撓度進(jìn)行綜合性分析，確定了合理的吊點(diǎn)數(shù)量及吊點(diǎn)布置形式，針對(duì)兩種不同的吊裝方式，選擇合理的吊裝機(jī)械參數(shù)，進(jìn)行兩種方案的經(jīng)濟(jì)性分析，為吊裝過程提供理論依據(jù)，也為大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面安裝技術(shù)提供了參考資料。

【關(guān)鍵詞】大跨度鋼桁架； 吊裝吊點(diǎn)； 方案對(duì)比； 經(jīng)濟(jì)性分析

【中圖分類號(hào)】TU758.15A

1 工程概況

某航站樓工程位于長沙市中心以東約24 km的黃花機(jī)場(chǎng)內(nèi)，航站區(qū)用地面積為126.20萬m2，總建筑面積為52.43萬m2，建筑物最大結(jié)構(gòu)高度為43.300 m。該項(xiàng)目由F大廳及A、B、C、D、E五個(gè)指廊組成，其間由伸縮縫兼抗震縫分隔。C區(qū)指廊金屬屋面平面尺寸為386 m×（44～106） m，金屬屋面最高點(diǎn)標(biāo)高為33.550。端部擴(kuò)大頭段金屬屋面鋼結(jié)構(gòu)采用正交正放四角錐網(wǎng)架，端部擴(kuò)大頭段天窗屋面鋼結(jié)構(gòu)采用平面桁架。與F區(qū)大廳相鄰的矩形段金屬屋面鋼結(jié)構(gòu)采用平面桁架和三角桁架，為取得良好的建筑效果，橫向平面桁架在天窗帶區(qū)域局部轉(zhuǎn)換為實(shí)腹桿件。C指廊大跨度桁架模型如圖1所示。

2 吊裝工況分析

2.1 分段處理方法

大跨度桁架采用分段吊裝的方法進(jìn)行，在合理的位置進(jìn)行分段處理，以滿足運(yùn)輸要求。該桁架結(jié)構(gòu)主要由三角桁架、箱型梁及平面桁架組成。由于箱型梁與平面桁架對(duì)接的節(jié)點(diǎn)較為隱蔽，若采用高空散拼，將大大提高施工的危險(xiǎn)性［1］，故將箱型梁節(jié)點(diǎn)作一次性吊裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高。構(gòu)件吊裝前，需對(duì)構(gòu)件重心進(jìn)行分析，再確定吊索交匯點(diǎn)的坐標(biāo)位置［2］，最后確定吊點(diǎn)位置及吊點(diǎn)數(shù)量（圖2）。

2.2 確定構(gòu)件重心

TEKLA軟件不但能出具構(gòu)件圖、零件及布置圖，還能提取構(gòu)件的重心坐標(biāo)。通過CAD圖建立桁架三維線模，分別導(dǎo)入TEKLA和MIDAS/GEN，在合適的地方對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分段及編號(hào)。在MIDAS/GEN中建立構(gòu)件的重心點(diǎn)。

2.3 構(gòu)件吊裝工況分析

由于風(fēng)荷載體系系數(shù)難以確認(rèn)，構(gòu)件吊裝僅考慮結(jié)構(gòu)自重的影響［4］，考慮1.4倍的荷載放大系數(shù)［3］。分析采用大型結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/GEN進(jìn)行，桁架及箱型梁采用一般梁?jiǎn)卧?，吊索用僅受拉單元進(jìn)行模擬，吊索交匯點(diǎn)邊界條件定義為鉸接，約束其X、Y、Z方向位移，各方向轉(zhuǎn)角自由；吊點(diǎn)位置定義為鉸接，約束Z向位移，X、Y向位移及各方向轉(zhuǎn)角為自由。

選取最不利三角桁架和箱型梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行吊裝工況分析（圖3）。

該段三角桁架位于與轉(zhuǎn)換桁架連接位置，跨度為37 m，在TEKLA模型中提取該段構(gòu)件的重心坐標(biāo)為（-12347.80，590899.34，25350.66），吊裝夾角宜為45°～60°［5］，故選擇吊索交匯位置坐標(biāo)（-12347.80，590899.34，40000.00）。由圖3、圖4可知，該段桁架吊裝過程中，最大MISES應(yīng)力222.18 MPa，小于Q355B鋼材屈服強(qiáng)度305 MPa，最大撓度為4.56 mm，低于凈跨的1/250。滿足施工過程要求。

該段箱型梁位于C-4b軸處，跨度為28 m。由圖5、圖6可知，最大MISES應(yīng)力為207.41 MPa，小于Q355B鋼材屈服強(qiáng)度305 MPa，最大撓度15.71 mm，低于凈跨的1/250。滿足施工過程要求。

施工技術(shù)與測(cè)量技術(shù)張佳健， 倪英， 趙正杰， 等： 大跨度桁架分段吊裝技術(shù)探討

3 吊裝方案對(duì)比

為滿足擴(kuò)大頭網(wǎng)架提升的需求，轉(zhuǎn)換桁架需先安裝，吊裝順序從C-4軸往C-12軸推進(jìn)。方案一的思路是先吊裝大跨度三角桁架如圖7所示，同箱型梁連成一個(gè)穩(wěn)定框架，邊吊箱型梁邊吊邊榀桁架；方案二思路是把外部桁架吊完后再進(jìn)行中部箱型梁的吊裝。為方便吊裝構(gòu)件吊裝順序，對(duì)桁架進(jìn)行編號(hào)，如圖8所示。根據(jù)不同吊裝條件，提出兩種桁架安裝方案如表1所示［6～10］。

從表1可知，方案一最大應(yīng)力出現(xiàn)在施工順序7，為301.41 MPa，最大撓度出現(xiàn)在施工順序7，為65.52 mm；方案二最大應(yīng)力出現(xiàn)在施工順序1，為220.64 MPa，最大撓度出現(xiàn)在施工順序8，為47.80 mm。方案一所需的吊車規(guī)模較小，但是安裝過程需要在箱型梁底部加臨時(shí)支撐；方案二雖然所需的吊車規(guī)模較大，但是整個(gè)過程不需要考慮臨時(shí)支撐，按照施工方案二的吊裝順序考慮更為經(jīng)濟(jì)。

從表2可知，方案一最大應(yīng)力出現(xiàn)在施工順序6，大小為239.41 MPa，最大位移出現(xiàn)在施工順序1，為39.80 mm；方案二最大應(yīng)力出現(xiàn)在施工順序1，為203.88 MPa，最大位移出現(xiàn)在施工順序1，為39.80 mm。兩種方案模擬驗(yàn)算結(jié)果均滿足施工要求，方案一相比于方案二可節(jié)約吊車臺(tái)班費(fèi)用，更為經(jīng)濟(jì)。綜上所述，C-4軸～C-5軸桁架采用方案二，C-5～C-12軸桁架吊裝采取方案一。如圖9、圖10所示大跨度桁架吊裝完成最大應(yīng)力為83.36 MPa，最大撓度為36.37 mm，均滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，可待桁架吊裝完成后安裝系桿。

4 結(jié)束語

結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行大跨度桁架施工過程分析，對(duì)比不同吊裝方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出C-4軸-C-5桁架按先吊裝邊榀桁架再吊裝中間箱型梁的方法，C-5～C-12軸安裝邊安裝桁架邊安裝箱型梁的吊裝方法，一定程度節(jié)約了施工成本。通過TEKLA軟件提取構(gòu)件重心的方法，解決了MIDAS/GEN吊裝模擬的不足，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

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