唐山勒泰中心大跨度屋面單層網(wǎng)殼施工方案優(yōu)選
高明德
（中鐵城建集團北京工程有限公司，北京 100024）
[摘要]對大跨度屋面單層網(wǎng)殼提出了整體提升和分塊提升兩種網(wǎng)殼安裝方案，利用MIDAS/CEN有限元軟件建立網(wǎng)殼屋面施工全過程仿真模型，得到不同方案下結構的力學響應，從質量控制、施工過程中結構受力等方面對比得到兩種安裝方案優(yōu)缺點及適用性，最終確定整體提升方案為該工程采用，圓滿地解決了工程難題，保證了工程進度及質量。
[關鍵詞]鋼結構；單層網(wǎng)殼；MIDAS/GEN；施工全過程；仿真
[中圖分類號] TU758. 11 [文章編號]1002-8498(2016)10-0026-04
施工是結構逐步成型、荷載逐步施加的連續(xù)過程。對于復雜結構，其受力和變形更是與施工過程密切相關，應綜合考慮多種施工方案，通過對施工安裝全過程進行仿真分析，確定施工過程中及成型后各關鍵構件內力變化特點及規(guī)律，綜合考慮施工過程中各方面影響因素，獲得最佳施工方案。
單層網(wǎng)殼是典型的缺陷敏感結構，對施工過程中的變形控制和安裝精度要求十分嚴格。單層網(wǎng)殼在施工中幾種常見施工方法分別為高空散裝法、整體提升法、分條分塊安裝法。
工程中通常由于建筑空間要求，網(wǎng)殼下部空間直通地面，若采用高空散裝法，則需在網(wǎng)殼下布置滿堂架，腳手架用量大、經(jīng)費高、工期長，同時安裝精度及作業(yè)安全性無法得到保證，針對該類工程條件對比分析整體提升及分塊提升兩種方法，為后續(xù)工程提供參考。
1 施工方案簡介
1.1 工程概況
唐山勒泰中心項目A區(qū)商業(yè)綜合體屋蓋為鋼結構穹頂造型（見圖1），凈跨39m，高度27.5~34m。單層網(wǎng)殼外接環(huán)桁架，環(huán)桁架與下部混凝土結構通過6根鋼樹權柱連接，共同組成穹頂。
1.2 整體提升方案簡介
整體提升法是柔性提升拉索承重、計算機控制、液壓裝置同步出力提升的原理，將網(wǎng)殼整體提升到預定位置，補裝后續(xù)桿件，然后與外圍結構焊接，形成網(wǎng)殼整體。本工程中提升網(wǎng)殼質量約34 241. 1kg，為保證提升系統(tǒng)穩(wěn)定出力，網(wǎng)殼提升中受力均勻，外圍環(huán)桁架受力合理，采用16個吊點的提升方案，如圖2所示。
1.3分塊提升方案簡介
分塊提升法是將結構劃分為若干條狀或塊狀單元，單元在地面拼裝后吊裝到設計位置，連接形成結構整體，再補裝部分后裝桿件，完成施工。本工程中單元劃分如圖3所示，分為2種吊裝單元及網(wǎng)殼中間部分后補裝桿件。吊裝單元1質量約5 423. 6kg，單元2質量約2 916. 7kg，網(wǎng)殼中心后補裝桿件質量約879. 9kg。
2施工仿真分析
2.1模型建立
施工全過程仿真分析采用有限元軟件MIDAS/GEN進行。有限元仿真模型中網(wǎng)殼桿件及鋼柱采用梁單元，提升拉索采用桁架單元。
施工過程中考慮的荷載主要是網(wǎng)殼自重，包括桿件及節(jié)點；施工完成后考慮屋面吊裝荷載。由于有限元模型中沒有考慮焊接球節(jié)點質量，分析過程中通過在模型節(jié)點上施加均布荷載等效。
2.2施工階段
1)階段1（提升前準備） 在網(wǎng)殼提升前，設置施工步模擬網(wǎng)殼外圍結構及臨時支撐成型，同時根據(jù)提升要求設計提升系統(tǒng)等臨時結構，為網(wǎng)殼提升、合攏提供精準的邊界條件。
2)階段2（提升過程） 網(wǎng)殼（吊裝單元）在提升過程中由于提升速度緩慢且過程平穩(wěn)，可將該提升過程網(wǎng)殼（吊裝單元）受力看成受靜力過程。
3)階段3（補裝、合攏） 網(wǎng)殼（吊裝單元）提升就位后，補裝剩余桿件，與外圍結構連接成一體。
4)階段4（分級拆撐） 網(wǎng)殼在安裝完成后分級拆撐，荷載、變形逐步釋放。
2.3計算結果
2.3.1整體提升法結果
網(wǎng)殼采用16個提升點同步提升，提升過程中網(wǎng)殼不考慮動力效應，桿件應力如圖4a所示，最大拉應力約為19.82MPa，最大壓應力約為28.13MPa。
網(wǎng)殼與外圍環(huán)桁架對接完成后，施加屋面恒荷載，再逐步卸載臨時支撐，待施工完成后桿件應力如圖4b所示，最大拉應力約54.80MPa，最大壓應力59.66MPa。
提取網(wǎng)殼中關鍵桿件（桿件a，b，位置見圖4b）在各關鍵施工階段的受力狀態(tài)，如圖5所示。階段1是網(wǎng)殼提升到位后與環(huán)桁架完成對接后的受力階段；階段2是在網(wǎng)殼上施加屋面恒荷載后的受力階段；階段3是所有臨時支撐逐步卸載完成后，網(wǎng)殼正常工作階段。網(wǎng)殼在提升過程中外圍環(huán)桁架會受到提升架反作用力，提取該過程中環(huán)桁架應力結果，如圖6所示，環(huán)桁架中桿件最大拉應力值約為43.33MPa，最大壓應力值約為46.49MPa。
2.3.2分塊提升法結果
在分塊提升方案中，網(wǎng)殼被分成8個吊裝單元分塊提升，先實施吊裝單元1的提升安裝，再實施吊裝單元2提升安裝。單元在提升過程中桿件應力如圖7所示，吊裝單元1在吊裝中桿件最大拉應力約49. 07MPa，最大壓應力約63. 78MPa，而吊裝單元2吊裝到位后，兩種單元中桿件的最大拉應力約49. 39MPa，最大壓應力約63. 39MPa。
同理，采用分塊提升法施工，網(wǎng)殼最終成型后桿件應力狀態(tài)如圖8所示，桿件最大拉應力約55. 09MPa，最大壓應力約為69. 21MPa。
提取網(wǎng)殼中關鍵桿件（桿件a，b，位置見圖8）在各施工關鍵階段的受力如圖9所示。3階段與整體提升方法對應3階段定義相同。同樣提取提升過程中外圍環(huán)桁架桿件應力結果，如圖10所示，桿件最大拉應力約為62. 46MPa，而最大壓應力約為62. 54MPa。
3 方案對比分析
工程施工方案的選擇需考慮工期、施工質量控制、場地條件等多重影響因素，故本文將結合仿真分析結果從網(wǎng)殼受力、變形、施工難易程度等多方面對比兩種網(wǎng)殼提升方法。
3.1 網(wǎng)殼受力及變形情況
1)網(wǎng)殼受力 兩種施工方案下在網(wǎng)殼提升過程中應力相差較大，對比圖4和圖7結果，整體提升方案中網(wǎng)殼受力相對均勻，最大拉應力約19. 82MPa,壓應力約28. 13MPa;分塊提升方案中吊裝單元受力較大，且分布不均勻，最大拉應力約49. 39MPa，壓應力約63. 39MPa。
2)網(wǎng)殼變形 提取兩種方案下相同關鍵節(jié)點（節(jié)點c，d，位置見圖7）豎向變形數(shù)據(jù)，結果對比如表1所示。階段1為網(wǎng)殼提升中，階段2為與環(huán)桁架對接后，階段3為施加完屋面恒荷載后，卸載結束，施工完成。
分塊提升方案中關鍵節(jié)點豎向位移值大于整體提升方案中對應結果（見表2）。分塊提升方案中網(wǎng)殼某些節(jié)點變形較大；而整體提升下網(wǎng)殼變形相對均勻，這與受力結果相一致。
3.2 網(wǎng)殼拼裝質量控制
整體提升方案中網(wǎng)殼于地面完成全部拼裝，故就網(wǎng)殼的焊接質量、拼裝精度來講，整體提升方案控制更加容易；分塊提升方案存在網(wǎng)殼中心桿件高空補裝及高空焊接，焊接質量相對難以控制，且需另外布置操作平臺。
3.3環(huán)桁架受力
對比圖6和圖10，整體提升方案中環(huán)桁架應力最大值比分塊提升方案中結果小50%，分塊提升方案對環(huán)桁架受力影響相對較大。
綜合考慮上述結論，結合工程既有施工條件，選擇整體提升施工方法作為本工程中單層網(wǎng)殼最終施工方法。
4 網(wǎng)殼整體提升施工要點
4.1 提升點布置
提升點布置是整體提升法實施的關鍵，直接影響整個網(wǎng)殼結構在施工中的受力狀態(tài)和施工成本，提升點選取的原則為網(wǎng)殼受力合理、提升過程穩(wěn)定。本工程中下提升點布置在網(wǎng)殼次外圈節(jié)點上，共布置16個提升點。
4.2整體提升過程
1)安裝步1 在網(wǎng)殼下部混凝土結構施工完成后，于混凝土結構上安裝網(wǎng)殼穹頂下方6根樹杈柱；安裝6根樹權柱的同時，在環(huán)桁架下布置腳手架，安裝環(huán)桁架各桿件并完成焊接。
2)安裝步2在環(huán)桁架上按照提升點的位置布置提升架及提升系統(tǒng)，提升系統(tǒng)包括液壓千斤頂、液壓泵站以及提升拉索等。
3)安裝步3 安裝提升架及提升系統(tǒng)的同時，在地面散裝穹頂，同時在節(jié)點上焊接臨時吊點。
4)安裝步4 提升準備工作就位后，檢查系統(tǒng)一切正常后進行提升。由試提升、正式提升、提升就位3個步驟完成。
5)安裝步5提升就位后，補裝后裝桿件，完成剩余桿件焊接。
6)安裝步6 所有補裝焊接完成后，鋪設穹頂屋面板，對環(huán)桁架整體分級拆除臨時支撐，后拆除提升支架、提升系統(tǒng)等臨時結構。
4.3提升全過程監(jiān)測
網(wǎng)殼整體提升過程中，為保證提升過程可控，全過程監(jiān)測至關重要，針對大跨度球形網(wǎng)殼整體提升，主要檢測各提升點豎向位移、網(wǎng)殼整體轉角。
4.4 提升動態(tài)平衡控制
在網(wǎng)殼整體提升過程中，保證結構的平衡狀態(tài)是結構整體提升的關鍵點也是難點。針對工程中網(wǎng)殼整體提升問題，給出平衡狀態(tài)確定的思路：①確定網(wǎng)殼結構重心，給定吊點的位置；②給定提升拉索受力狀態(tài)下長度，找到使網(wǎng)殼結構平衡的索力吊點的空間相對位置；③由吊點空間位置確定網(wǎng)殼的空間姿態(tài)，驗算被吊結構的平衡性。
針對網(wǎng)殼這種空間結構，由于其結構對稱，剛度、質量分布相對均勻，在整體提升過程中穩(wěn)定性較好。但網(wǎng)殼整體提升周期較長，在施工過程中可能會因為偶然因素導致網(wǎng)殼在提升過程中出現(xiàn)偏移、轉動。網(wǎng)殼在提升過程中，需要對每個提升周期內網(wǎng)殼吊點空間位置及平衡狀態(tài)進行監(jiān)測，計算出各提升拉索索力差值及各提升拉索索長修正量，通過調整各提升點提升速度使網(wǎng)殼重新使達到平衡狀態(tài)，保證網(wǎng)殼提升過程中動態(tài)平衡。
4.5臨時固定及與環(huán)桁架對接
網(wǎng)殼提升到設計標高后，通過在網(wǎng)殼與外圍結構間布置倒鏈，對網(wǎng)殼的標高、位移、扭轉偏差進行調整，完成網(wǎng)殼的臨時固定。之后即可在網(wǎng)殼和環(huán)桁架之間布置后裝桿件并焊接，完成結構對接，網(wǎng)殼安裝完成。
5 結語
1)兩種方案各施工階段中，網(wǎng)殼桿件拉、壓應力最大值分別約為62，70MPa，桿件應力較小，滿足強度要求。
2)對于整體提升方案，在網(wǎng)殼提升過程中受力均勻，拉應力僅為19. 82MPa，無受力、變形突出桿件；提升過程中外圍的環(huán)桁架桿件應力較小，拉壓應力均小于50MPa；網(wǎng)殼于地面焊接，焊接質量可保證；但由于提升點相對較多，架設臨時提升支架數(shù)量較多，同步提升技術要求較高。
3)對于分塊提升方案，在分塊提升過程中，由于網(wǎng)殼的空間剛度沒有形成，某些節(jié)點豎向變形大于整體提升方法結果數(shù)倍，可能導致網(wǎng)殼在成型后會產(chǎn)生較大的初始應力，不利于網(wǎng)殼受力；提升到位后，需高空拼裝中心桿件及高空焊接，工作量相比較大，且施工質量控制較為困難。
4)對比整體法和分塊提升法，兩種方法均存在優(yōu)點和不足，綜合考慮，整體提升法更適合本工程中穹頂結構的施工。
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