劉 新，張 軍，胡長(zhǎng)明，梅 源

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)建設(shè)指揮部 ，陜西渭南714000；2.中國(guó)中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安710054；3.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710055）

大型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提升施工可靠性數(shù)值分析

劉 新1，張 軍2，胡長(zhǎng)明3，梅 源3

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)建設(shè)指揮部 ，陜西渭南714000；2.中國(guó)中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安710054；3.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710055）

某大型鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用分段拼裝、扒桿整體提升的施工方法，以該結(jié)構(gòu)的施工安全性為研究對(duì)象，建立網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體數(shù)值模型，利用有限元軟件對(duì)網(wǎng)架及扒桿進(jìn)行不同工況下的結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并估算了結(jié)構(gòu)板在施工過(guò)程中的可靠性。計(jì)算結(jié)果表明：大面積大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用地面分段拼裝、拔桿整體提升的方法是安全可行的，研究結(jié)果為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全施工提供了理論依據(jù)。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；施工安全性；數(shù)值分析

近年來(lái)，在體育場(chǎng)、會(huì)展大廳、飛機(jī)庫(kù)等大跨度結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因其受力簡(jiǎn)單、剛度大、自重輕、整體穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)已廣泛得到應(yīng)用，其作為鋼結(jié)構(gòu)中代表性的體系已在大型建筑中具有舉足輕重的地位。但由于大型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布也具有很強(qiáng)的可變性，因此，大跨空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的安全性是施工過(guò)程中必須注意的重要問題。

針對(duì)網(wǎng)架設(shè)計(jì)與施工安全性的分析問題，已取得了一些成果。張紀(jì)剛［1］對(duì)青島體育中心游泳跳水館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的有限元數(shù)值分析。鄭君華［2］對(duì)一空間網(wǎng)架進(jìn)行了溫度力的計(jì)算與影響分析。張春玉［3］提出了預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型，并給出了具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，驗(yàn)證了模型的可行性。董石麟［4］系統(tǒng)介紹了該網(wǎng)架初步設(shè)計(jì)及整體有限元分析的情況，就網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在與上、下游墻體的不同連接方式下的整體受力性能及經(jīng)濟(jì)性作了比較，并針對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析了簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果與整體分析結(jié)果的差別。王艷?。?］用ANSYS軟件建立鋼網(wǎng)架屋頂結(jié)構(gòu)的有限元模型，結(jié)合該結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)、材料特性、幾何特性及邊界條件等相關(guān)參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行加載計(jì)算和求解。陳適才［6］針對(duì)首都機(jī)場(chǎng)新華航空機(jī)庫(kù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)存在不同層數(shù)、不同高度以及存在錯(cuò)位等問題，提出“分片拼裝－分片提升－整體拼裝－整體提升”的累積提升施工方法，對(duì)分片合龍施工技術(shù)、合龍數(shù)值模擬技術(shù)以及累積提升過(guò)程結(jié)構(gòu)計(jì)算等相關(guān)問題進(jìn)行分析與研究。

本文針對(duì)某大型鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用分段拼裝、扒桿整體提升的施工方法。以該結(jié)構(gòu)的施工安全性為研究對(duì)象，建立網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體數(shù)值模型，利用有限元軟件對(duì)網(wǎng)架及扒桿進(jìn)行不同工況下的結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并估算了結(jié)構(gòu)板在施工過(guò)程中的可靠性，為結(jié)構(gòu)的安全施工提供了理論依據(jù)，計(jì)算分析過(guò)程可為類似工程提供參考。

1 工程概況

某工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式為正方四角錐網(wǎng)架，網(wǎng)架總投影面積約20 953 m2，懸空投影面積約15 064 m2。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座高度0.75 m，上下弦節(jié)點(diǎn)均在不同半徑的弧線上，上弦弧半徑為126.035 m，下弦弧半徑為101.75m，下弦拱高為5.464m，跨中最小結(jié)構(gòu)矢高為3.036 m，下弦中心最高點(diǎn)距樓面19.314 m。

本工程采用分塊拼裝整體提升法。首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在樓面上拼裝單個(gè)網(wǎng)架提升單元，然后利用6個(gè)鋼格構(gòu)式拔桿、24個(gè)手動(dòng)倒鏈將提升單元整體提升至安裝位置［7－8］。網(wǎng)架在施工時(shí)的受力狀態(tài)和受力模型處于不斷變化中，施工前必須全面考慮施工過(guò)程中的各種不利工況并進(jìn)行驗(yàn)算［9－10］。

2 網(wǎng)架提升安全分析

2.1 吊裝單元

吊裝時(shí)將整體網(wǎng)架分成若干單元采用扒桿提升。吊裝單元如圖1所示。

圖1 網(wǎng)架吊裝單元

2.2 分析模型

計(jì)算模型所取鋼材彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度取為8.75×103kg／m3計(jì)算時(shí)乘以系數(shù)1.35，熱膨脹系數(shù)為1.2×10－5／℃。計(jì)算吊裝單元網(wǎng)架實(shí)際重量為61 t，考慮安裝過(guò)程其它荷載及動(dòng)力效應(yīng)，計(jì)算時(shí)取網(wǎng)架重量84 t。由于節(jié)點(diǎn)實(shí)際為焊接，因此，模型中所有節(jié)點(diǎn)均考慮為固接［11］，建立網(wǎng)架和拔桿整體模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)架吊裝單元有限元模型

2.3 工況設(shè)置

當(dāng)六組拔桿中某一組在提升網(wǎng)架過(guò)程中提升網(wǎng)架局部高于其它五組拔桿時(shí)，網(wǎng)架、拔桿處于最不利狀態(tài)。吊裝單元拔桿共設(shè)3組每組2個(gè)，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，故只要考慮一側(cè)任意一組拔桿或中間任意一組拔桿在提升網(wǎng)架過(guò)程中提升網(wǎng)架局部高于其它五組拔桿的兩種計(jì)算工況，計(jì)算工況設(shè)置如下：

工況1：在結(jié)構(gòu)自重作用下，1組拔桿提升網(wǎng)架過(guò)程中，提升網(wǎng)架局部高于其它5組拔桿6 cm。

工況2：在結(jié)構(gòu)自重作用下，2組拔桿提升網(wǎng)架過(guò)程中，提升網(wǎng)架局部高于其它5組拔桿6 cm。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

（1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體變形

網(wǎng)架吊裝單元在提升過(guò)程中整體變形計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：工況1條件下網(wǎng)架整體結(jié)構(gòu)位移最大值是7.4 cm，工況2條件下網(wǎng)架整體結(jié)構(gòu)位移最大值是6.3 cm，均變形較大。施工過(guò)程中所有桿件連接、拔桿安裝、倒鏈安裝完成后，開始提升。每個(gè)拔桿上的操作人員均聽從的統(tǒng)一指令，同時(shí)操作。網(wǎng)架提升至離地10mm時(shí)，暫停提升，檢查所有桿件連接是否正常，檢查倒鏈工作狀態(tài)是否良好，否則放下重新整改。每提升約1m高度時(shí)，用水準(zhǔn)儀測(cè)量結(jié)構(gòu)提升過(guò)程中的同步性 ，直至安裝到位［12－15］。

（2）網(wǎng)架及拔桿應(yīng)力

網(wǎng)架吊裝單元及拔桿在提升過(guò)程中應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由計(jì)算結(jié)果可知：工況1中網(wǎng)架應(yīng)力最大值為80MPa，拔桿應(yīng)力最大值是73.7MPa；工況2中網(wǎng)架應(yīng)力最大值是169 MPa；拔桿應(yīng)力最大值是73.7 MPa。由于本工程網(wǎng)架及扒桿全部采用Q235鋼材，因此，各工況中桿件最大應(yīng)力均未超限，滿足安全要求。

圖3 網(wǎng)架變形計(jì)算結(jié)果

（3）拔桿支座反力

拔桿編號(hào)為1～6，每組扒桿角點(diǎn)與結(jié)構(gòu)板固接，連接部位按逆時(shí)針編號(hào)為①～④，如圖5所示，計(jì)算得到的各工況扒桿支座反力見表1、表2。

圖4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及扒桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5 扒桿及單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)

表1 工況1拔桿支座反力

（4）結(jié)構(gòu)板承載力驗(yàn)算

①網(wǎng)架提升施工荷載計(jì)算

由上述計(jì)算可知：由于提升結(jié)構(gòu)與扒桿分布位置基本對(duì)稱，提升過(guò)程中，扒桿支座受剪力及彎矩較小，受豎向荷載較大，因此，需驗(yàn)算結(jié)構(gòu)板的豎向承載力。分別將工況1、工況2中扒桿支座反力轉(zhuǎn)化為樓板均布荷載，并與樓板面層及活荷載比較，以判斷結(jié)構(gòu)板承載力是否滿足要求。

表2 工況2拔桿支座反力

工況1：扒桿最大豎向荷載出現(xiàn)在扒桿1支座，其值為：G1＝55＋61＋38.128＋30.607≈184.7 kN

工況2：扒桿最大豎向荷載出現(xiàn)在扒桿2支座，其值為：G2＝45.5＋52.1＋43.3＋41.5＝182.4 kN

由于本工程扒桿基本均勻?qū)ΨQ布置，因此可把扒桿傳遞的荷載并轉(zhuǎn)化為面荷載，對(duì)下層板進(jìn)行校核，取 G1作為最不利荷載，并將其轉(zhuǎn)化為0.766 kN／m2的面荷載。

②結(jié)構(gòu)板承載力估算

由于，建模計(jì)算結(jié)構(gòu)板承載力，工作量較大，實(shí)際施工也不需要，在估算結(jié)構(gòu)板承載力時(shí)，在不考慮板自重的情況下，將扒桿傳遞的荷載與結(jié)構(gòu)板面層橫荷載及施工活荷載組合值加以對(duì)比即可估計(jì)施工安全性，這種估算方式簡(jiǎn)單且安全系數(shù)較高，本工程扒桿下層板裝修層做法及荷載標(biāo)準(zhǔn)值從上至下分別為：

20mm厚的磨光花崗巖：0.56 kN／m2

30mm厚1：3干硬性水泥砂漿：0.435 kN／m2

35mm厚的焦渣混凝土墊層 ：0.595 kN／m2

20mm厚的無(wú)機(jī)鋁鹽防水砂：0.40 kN／m2

合計(jì)：1.99 kN／m2

計(jì)算時(shí)恒荷載按1.2取系數(shù)，活荷載按1.4取系數(shù)，可計(jì)算結(jié)構(gòu)板面層及活荷載組合值為：

G0＝1.2×1.99＋1.4×3.5＝7.288 kN／m2，遠(yuǎn)大于扒桿最不利條件傳遞的荷載，可見，本工程網(wǎng)架在安裝的過(guò)程中是比較安全的。

3 結(jié) 論

網(wǎng)架提升是風(fēng)險(xiǎn)性較高的施工過(guò)程，需要對(duì)施工過(guò)程結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行嚴(yán)密的計(jì)算，才能保證網(wǎng)架提升的施工安全，通過(guò)本文的計(jì)算可以得到以下結(jié)論：

（1）大面積大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用地面分段拼裝、拔桿整體提升的方法是安全可行的，且能夠大量節(jié)約成本，滿足項(xiàng)目工期要求；

（2）網(wǎng)架地面拼裝的方式，最大限度的減小了空中作業(yè)量，很好的保證了拼裝質(zhì)量和作業(yè)人員的安全，適用于大型工程分段改造工程，使得工程內(nèi)部設(shè)備以最快的速度重新投入使用。

［1］ 張紀(jì)剛，張同波.青島體育中心游泳跳水館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)與模擬分析［J］.施工技術(shù)，2009，38（10）：30－32.

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Numerical Analysis of Construction Reliability for Large－Scale Space Truss Structure Lifting

LIU Xin1，ZHANG Jun2，HU Chang－ming3，MEIYuan3
（1.Construction Headquarters of New Campus，Shaanxi Railway Institute，Weinan，Shaanxi714000，China；2.China Railway FirstGroup Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi710054，China；3.College of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an，Shaanxi710055，China）

One large－scale space truss structurewas assembled in sections and then lifted as awhole by using derrick masts.Taking construction safety of the space truss structure as the study object，a numericalmodelwas built to analyse the strained condition and deformation in differentworking conditionsby using a finite elementsoftware.The reliability of structural slabs in construction processwas computed at the same time.The results indicate that it is feasible and safe to assemble the truss structure in sections then lift the partsasawhole by using derrickmasts.This study provides theoretical support for the safety of the truss structure construction.

truss structure；construction safety；numerical analysis

TU745

A

1672—1144（2014）04—0099—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.018

2014－02－27

2014－03－31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50978219）；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（12JK0898）

劉 新（1965—），男 ，山東臨清人 ，講師 ，主要從事土木工程施工與管理方面的工作。