大跨復(fù)雜鋼桁架施工期整體滑移結(jié)構(gòu)分析與控制研究
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詹樂斌1 賈海濤2 王正云2 黃永春2 徐士杰2 馮 鋒3 徐聯(lián)民3
（1．浙江綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司，杭州310007；2．青島綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東青島266000； 3．中建鋼構(gòu)有限公司，重慶400045）
摘 要：鋼桁架結(jié)構(gòu)形式多樣、應(yīng)用也越來越廣泛。雖然大跨復(fù)雜鋼桁架的施工方法很多，但是具體到特定的工程，選擇最適用的方法尤其重要，這不僅涉及到經(jīng)濟(jì)因素還關(guān)系到工程能否安全有序的進(jìn)行，適當(dāng)?shù)氖┕し椒o疑能夠帶來事半功倍的效果。通過對重慶T3A新建航站樓鋼桁架的多種施工方法進(jìn)行利弊分析，最后采用高空滑移的方法，并對高空滑移過程中的同步控制、計(jì)算方法、溫度影響進(jìn)行研究，確定滑移過程中的危險(xiǎn)區(qū)范圍，提前形成有效的防范機(jī)制，保證了施工過程的安全性。
關(guān)鍵詞：鋼桁架；結(jié)構(gòu)分析；控制；計(jì)算 D01:10.13206/j.gjg201606019
1 概 述
依托重慶江北機(jī)場T3A新建航站樓項(xiàng)目，建立了復(fù)雜鋼桁架的實(shí)際力學(xué)模型，對已有的理論方法加以應(yīng)用和驗(yàn)證，并對一些計(jì)算過程進(jìn)行改進(jìn)和細(xì)化，除考慮單一滑移過程中網(wǎng)架的應(yīng)力和應(yīng)變，還協(xié)同考慮周邊網(wǎng)架吊裝過程對其影響。
1.1 模擬分析方法
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元軟件的普及應(yīng)用，使得大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工過程模擬分析成為可能。鋼結(jié)構(gòu)在施工階段的受力情況不能簡單地等同于使用階段，利用有限元軟件進(jìn)行施工過程的分析是將結(jié)構(gòu)按照施工過程劃分為不同的階段，按照施工的先后順序激活各個(gè)施工步驟的邊界條件、荷載以及施工步的結(jié)構(gòu)，這樣就可以綜合考慮施工各步驟之間的累積效應(yīng)及相互關(guān)系，一般的有限元建�？梢愿鶕�(jù)方法的不同分為分步建模法和一次性建模法。
根據(jù)施工步驟的不同對結(jié)構(gòu)分步建模就是分步建模法，在整體剛度矩陣中出現(xiàn)的都是已安裝的結(jié)構(gòu)單元，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)施工過程中構(gòu)件安裝變形的精確控制，但是這種建模辦法僅考慮當(dāng)前已經(jīng)建立模型的內(nèi)力及變形，所以使用分步建模法模擬結(jié)構(gòu)在施工過程的受力并不是完全真實(shí)的，而且分步建模法的分析過程通常需要邊建模邊求解并且把有限元軟件的前處理、后處理和求解三大模塊統(tǒng)一起來編制新的有限元程序，實(shí)現(xiàn)算法比較困難。在重慶T3A航站樓中，混凝土只用在樓面板和基礎(chǔ)部分，主要的結(jié)構(gòu)部分為鋼結(jié)構(gòu)，所以分析時(shí)可以不考慮材料的時(shí)變性，這樣可以簡化分析，故一次建模法為最佳選擇。
1.2一次性建模法
一次性建模法和“生死單元法”類似，就是一次性將結(jié)構(gòu)模型在軟件中全部建立，按照實(shí)際的施工步驟把結(jié)構(gòu)的桿件、荷載工況以及邊界條件相應(yīng)地劃分為不同的施工步，計(jì)算時(shí)只考慮該施工步驟之前的內(nèi)力和變形情況，把該施工步驟之后的桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行凍結(jié)處理，這樣每個(gè)結(jié)構(gòu)下一階段的內(nèi)力和變形會隨上一施工階段進(jìn)行調(diào)整變化。實(shí)際上，一次性建模法就是按照事先設(shè)定的施工步驟將正在安裝的桿件激活，而將還沒有進(jìn)行安裝的桿件進(jìn)行鈍化，達(dá)到用有限元軟件模擬真實(shí)施工的目的。基本分析的流程可以用圖1表示。
綜上，采用一次性建模法模擬施工流程時(shí)，不需要考慮人為的假設(shè)，可以直接建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，通過建立的模型準(zhǔn)確模擬構(gòu)件的實(shí)際施工步驟、連接形式、載荷形式、尺寸、空間位置和材料特性等，由此可以得到準(zhǔn)確可靠、更加詳盡的分析結(jié)果，所以一次性建模法是最適合本工程的方法。
2 工程實(shí)例
2.1 工程概況
重慶江北國際機(jī)場新建T3A航站樓位于重慶市東北方向的渝北區(qū)，新建T3A航站樓建筑平面呈“X”形（圖2），可分為E區(qū)中央大廳及A、B、C、D指廊共5個(gè)部分，其中E區(qū)中央大廳位于“X”形中部，中央大廳平面尺寸為279 m×393 m（最窄處）一401 mx456 m（最寬處），平面呈蝶形。天窗區(qū)域區(qū)屋蓋采用正交正放四‘角錐雨架結(jié)構(gòu)，中心區(qū)域網(wǎng)架采用分塊滑移的方式進(jìn)行安裝：在航站樓東、西兩側(cè)室外地面設(shè)置拼裝場地，安裝固定式塔吊，在4層、5層混凝土樓面上共設(shè)置9道滑移軌道，安裝固定腳手架及滑移胎架。安裝時(shí)，將中拼單元吊裝到滑移胎架上總拼成滑移單元，由滑移胎架將滑移單元滑移至安裝區(qū)域，補(bǔ)裝相鄰單元桿件�；铺ゼ苄遁d后滑回原位，重復(fù)上一步驟，從主樓東側(cè)向西側(cè)依次完成安裝。
中間區(qū)域采用樓面小拼、高空原位安裝的方法進(jìn)行施工，為表述方便，將主航站樓中心區(qū)域劃分成10個(gè)單元。東側(cè)5塊HY-E1-HY-E5單元，西側(cè)5塊HY-W1-HY-W5單元。其中最大單元為HY-W4、HY-E4，面積約為7 360.7 m2，重量約為3 902 k N。航站樓主樓總的滑移單元面積約為6. 92萬m2，總重量約為36 676 k N。周邊吊裝區(qū)域內(nèi)共分為140塊吊裝單元，總重約31 323 k N，其中最大的一塊為S3單元，面積約736 m2，重約390 k N。
2.2施工全過程有限元模擬分析模型及方法
2. 2.1 有限元模擬
1)E區(qū)屋蓋網(wǎng)架施工安裝全過程模擬計(jì)算采用大型通用有限元軟件ANSYS 14.5，由于E區(qū)西南角有部分區(qū)域受地鐵施工的影響，在模擬過程中暫時(shí)不予考慮，選用模擬單元見表1。
2) ANSYS計(jì)算模型為桿系模型，未考慮焊接球節(jié)點(diǎn)，其自重65 145 k N，根據(jù)施工圖紙，網(wǎng)架桿件重量加球節(jié)點(diǎn)重量為78 942 k N，因而，計(jì)算時(shí)將模型自重放大1. 212倍。
3)在純桿系模型、不考慮焊接球節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的相同條件下，MSTCAD設(shè)計(jì)分析模型與ANSYS模型前5階自振頻率對比見表2，第1階振型圖見圖3，可見吻合一致，驗(yàn)證了ANSYS模型的合理性。
4)采用ANSYS“單元生死”功能模擬施工過程：首先“殺死”全部單元，然后按照安裝順序和臨時(shí)胎架支撐設(shè)置，依次激活每一施工步的相應(yīng)單元、調(diào)整支撐約束，從而考慮安裝全過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的累積效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)施工全過程跟蹤模擬。
網(wǎng)架支撐點(diǎn)只約束Z向位移，其他方向(X、y向)自由。計(jì)算建模時(shí)，網(wǎng)架支撐點(diǎn)下設(shè)置一根剛性桿，此剛性桿只能承受壓力而不能承受拉力。剛性桿上端與結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)在Z向位移相同，下端被約束，上、下端X、y向自由度均耦合住。在落架時(shí)，對剛性桿底部釋放規(guī)定位移來模擬落架全過程。
5)計(jì)算中考慮幾何非線性的影響，使用國際單位制。
6)桿件應(yīng)力比驗(yàn)算考慮了壓桿穩(wěn)定系數(shù)。
7)施工過程結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算荷載組合：1. 35G；1. 2G +1. 1Q（G為結(jié)構(gòu)自重；Q為溫度作用）。
8)施工過程結(jié)構(gòu)分析變形驗(yàn)算荷載組合：1. 0G+1. 0Q。
2.2.2溫度計(jì)算
重慶市全年日均氣溫如圖4所示。
設(shè)計(jì)要求鋼結(jié)構(gòu)閉合溫度為15~25℃。按照施工進(jìn)度計(jì)劃：
1)單元W4、W5及相應(yīng)北側(cè)分塊網(wǎng)架安裝，基本在9月份完成，同時(shí)參考GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》9.3條文說明，按平屋面、淺亮，考慮露天日照作用的溫度增加6℃，溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值取升溫19℃；
2)單元W2、W3及相應(yīng)S、N兩側(cè)網(wǎng)架安裝，基本在10月份完成，溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值取升溫15 ℃；
3)單元W1、E1及相應(yīng)S、N兩側(cè)網(wǎng)架安裝，基本在11月份完成，溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值取升溫8℃；
4)單元E2、E3及相應(yīng)S、N兩側(cè)網(wǎng)架安裝，基本在12月份完成，溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值取降溫- 17℃；
5)單元E4、E5及相應(yīng)S、N兩側(cè)網(wǎng)架安裝，基本在1月份完成，溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值取降溫-19℃；
6)單元W、E外圍網(wǎng)架安裝及施工預(yù)留區(qū)及相應(yīng)S、N兩側(cè)網(wǎng)架安裝，基本在2月份完成，溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值取降溫-18℃。
2.3 施工全過程模擬分析及桿件替換
根據(jù)施工方案流程，建立網(wǎng)架施工過程分析模型，按照原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安裝施工模擬計(jì)算，局部桿件應(yīng)力比超過1.0，優(yōu)化控制應(yīng)力比0.9，最終需替換671根桿件、約占桿件總數(shù)的1.9%（總桿件數(shù)為35 620根），用鋼量增加約28.7 t，其位置分布見圖5。
替換671根桿件后，在自重及溫度荷載作用下各主要施工步對應(yīng)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)（桿件應(yīng)力比和支撐反力對應(yīng)荷載組合1. 2G +1. 1Q，豎向變形對應(yīng)荷載組合1. 0G+1.0Q）如圖6-圖10所示，最終施工狀態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見圖11，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平較低。
E區(qū)的整體滑移施工共劃分為56個(gè)步驟，每一個(gè)單元的施工步驟個(gè)數(shù)不盡相同，在自重荷載及溫度作用下對56個(gè)施工步驟進(jìn)行計(jì)算，選取幾個(gè)具有代表性的單元W5、W1、E1、E2以及施工預(yù)留區(qū)補(bǔ)裝的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。
1) W5的安裝施工共分為2個(gè)步驟：步驟1，W5滑移就位安裝完成；步驟2，W5滑移胎架撤出、結(jié)構(gòu)與鋼柱連接，W5周邊臨時(shí)支撐。經(jīng)模擬計(jì)算，此過程中豎向位移和桿件的應(yīng)力比都發(fā)生在步驟1中，步驟1的計(jì)算結(jié)果見圖6，其中桿件的最大應(yīng)力比為0. 80。
2) W1的安裝施工共分為5個(gè)步驟：步驟15，W1滑移就位，周邊單元N-1、N-3、S-1、S-3、S-7吊裝落于臨時(shí)支撐胎架；步驟16，W2、W1之間桿件補(bǔ)裝架；步驟17，拆除部分W1、W2分塊臨時(shí)支撐；步驟18，W1滑移胎架撤出、結(jié)構(gòu)與鋼柱連接；步驟19，拆除W2東側(cè)支撐，部分W2、W1分塊臨時(shí)支撐。在這5個(gè)施工步驟中，結(jié)構(gòu)的豎向位移和桿件的應(yīng)力比都是相同的，最大應(yīng)力比為0. 82，步驟19的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。
3) E1的安裝施工共分為5個(gè)步驟：步驟20，E1滑移就位，周邊單元N-2、S-2、S-4吊裝落于臨時(shí)支撐胎架；步驟21，W1、E1之間桿件補(bǔ)裝；步驟22，拆除部分W1、E1分塊臨時(shí)支撐；步驟23，E1滑移胎架撤出、結(jié)構(gòu)與鋼柱連接；步驟24，拆除部分E1分塊臨時(shí)支撐；在這5個(gè)施工步驟中，結(jié)構(gòu)的豎向位移和桿件的應(yīng)力比最大的是施工步驟24，最大應(yīng)力比為0. 85。其豎向位移見圖8。
4) E2的安裝施工共分為4個(gè)步驟：步驟25，E2滑移就位，周邊單元N-4、N-6、S-6、S-8吊裝落于臨時(shí)支撐胎架；步驟26，E1、E2之間桿件補(bǔ)裝；步驟27，E2滑移胎架撤出、結(jié)構(gòu)與鋼柱連接，E2東側(cè)臨時(shí)支撐；步驟28，拆除部分E1、E2分塊臨時(shí)支撐。在這4個(gè)施工步驟中，結(jié)構(gòu)的豎向位移和桿件的應(yīng)力比最大的是施工步驟28，最大應(yīng)力比為0. 84。其豎向位移見圖9。
5)最后施工預(yù)留區(qū)域的補(bǔ)裝分為4個(gè)步驟：步驟53，施工預(yù)留區(qū)域散拼；步驟54，W2和W3拼接、E2和E3拼接；步驟55，拆除W2和W3、E2和E3拼接處臨時(shí)支撐；步驟56，拆除施工預(yù)留區(qū)域周邊臨時(shí)支撐，網(wǎng)架安裝結(jié)束。在這4個(gè)施工步驟中，結(jié)構(gòu)的豎向位移和桿件的應(yīng)力最大的都為步驟53，其豎向位移見圖10。最終施工狀態(tài)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比見圖1 1。
3 結(jié)束語
通過對以上56個(gè)施工步驟鋼桁架結(jié)構(gòu)的計(jì)算以及分析可以得到如下結(jié)論：
1)隨著滑移步驟的進(jìn)行，整個(gè)桁架的Z向變形的危險(xiǎn)區(qū)是在變化的，就整體而言，南側(cè)比北側(cè)更為安全一些，在滑移步驟進(jìn)行過程中整個(gè)網(wǎng)架的中部要比東、西兩側(cè)更為安全，危險(xiǎn)區(qū)域集中在北側(cè)的W2和W3、E3和E4的交界處，可以根據(jù)分析結(jié)果提前采取有效的控制防范措施。
2) W1和E1的溫度作用標(biāo)準(zhǔn)都取升溫8℃，滑移步驟完成之后兩者的Z向位移形差值僅為0. 007 4 m，隨后施行滑移的是E2單元，滑移時(shí)取降溫17℃，E2和El的位移差值提高為0.028 1 m，說明溫度作用效應(yīng)明顯。
3)隨著滑移步驟的進(jìn)行，有出現(xiàn)桿件的應(yīng)力比減小的情況，例．如自E1單元滑移完成到E2滑移完成，說明鋼桁架補(bǔ)裝完成形成整體之后，對桿件的受力是有利的。有的步驟完成之后出現(xiàn)應(yīng)力比增大現(xiàn)象，是由于新裝單元部分桿件應(yīng)力比都大于原有桿件應(yīng)力比的原因。
4)按照屋蓋網(wǎng)架安裝方案，原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需替換671根桿件、約為桿件總數(shù)的1. 9%（總桿件數(shù)為35 620根，用鋼量增加約28.7 t，替換后結(jié)構(gòu)施工全過程模擬分析表明結(jié)構(gòu)安全、變形滿足GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求(撓度小于跨度的1/250)，施工方案可行、合理，可供其他類似工程參考。
