范家茂，沈萬玉，張炳順

(1.合肥職業(yè)技術學院 建筑工程系，安徽 巢湖 238000；2.安徽富煌建筑設計研究有限公司，合肥 230088)

大懸挑管桁架空間結構施工過程模擬分析及研究
——以銅陵體育館為例

范家茂1，沈萬玉2，張炳順2

(1.合肥職業(yè)技術學院 建筑工程系，安徽 巢湖 238000；2.安徽富煌建筑設計研究有限公司，合肥 230088)

針對銅陵體育館大懸挑三角形管桁架空間結構體系，采用有限元分析軟件Midas Gen對大懸挑管桁架空間結構一次成型與分步成型兩種情況下施工全過程進行仿真分析，得出結構位移的變化規(guī)律，提出通過設置安裝構件變形預調值來達到控制施工位移的解決方案。采用設計軟件3D3S11進行溫度計算，分析了溫度變化對結構變形和結構內力的影響程度，為工程施工時選擇合適的合攏時間提出理論依據。研究結果對于類似大懸挑管桁架空間結構施工具有借鑒作用。

大懸挑管桁架；空間結構；施工過程；模擬分析

0 前 言

近年來，新型建筑材料和施工新技術在我國建筑工程中的應用越來越廣泛，特別是空間結構具有跨度大、施工復雜、技術含量高等特點。由于常規(guī)設計通常不考慮結構的施工荷載以及結構在成型過程中位移與應力的變化，這必將影響結構最終成型狀態(tài)，甚至有可能危及結構施工安全。據調查在我國工程結構倒塌事故中，有50%以上是發(fā)生在施工期間，主要原因之一是沒有考慮結構在施工過程中位移與應力的動態(tài)變化。因此研究大懸挑管桁架空間結構施工過程中的應力與位移的變化規(guī)律，對編制可行的施工方案具有重要的理論意義和實用價值。

我國部分學者針對這種結構類型進行了一系列研究，對大懸挑管桁架空間結構設計及施工階段結構受力分析也做出了一些有效的探索，并取得相當好的研究成果。

張曉燕和郭彥林等通過對深圳會展中心鋼結構屋蓋起拱方案及施工技術的研究分析，采用多重子結構矩陣位移法分析了不同施工因素對結構的影響，研究結果表明施工過程對結構內力的影響不容忽視。[1]劉學武和郭彥林采用幾何非線性鋼結構施工力學分析方法，對國家大劇院鋼殼體施工支撐體系的結構選型、設計和卸載技術路線進行了研究。[2]陳東和丁克偉研究考慮施工時變性的情況下，對懸挑結構與支撐體系的共同工作機理進行研究，找出隨著結構的施工進展，支撐體系與結構之間力的分配規(guī)律、結構自身以及支撐體系各桿件之間力的分配和傳遞規(guī)律、進而建立可行的考慮結構參與工作的支撐體系的時變數值計算模型。[3]黃益平和黃卉等通過對工程實例進行研究，詳細介紹了六萬人標準體育場管桁架結構鋼罩棚安裝過程中大型鋼結構構件安全高效安裝、現場異型鋼結構精確拼裝、科學設置支撐、局部與整體分級平穩(wěn)卸載以及配套基礎施工資源的解決，達到綠色節(jié)能高效的目的。[4]

1 工程背景及模型介紹

1.1 工程背景

圖1 銅陵體育館建筑效果圖

銅陵體育館位于銅陵市新區(qū)，整體建筑分為混凝土看臺和外圍大懸挑環(huán)形鋼結構罩棚，體育場共有31 500個座位，整體建筑鋼結構用鋼量約為8 200噸，建筑效果如圖1所示。

體育館鋼結構包括外圍大懸挑環(huán)形鋼結構罩棚以及下部附屬功能平臺鋼結構。其中鋼結構罩棚采用空間管桁架結構體系，主受力構件為48榀落地大懸挑三角形鋼管桁架，通過內環(huán)封口桁架及支撐系統(tǒng)組成空間穩(wěn)定受力體系。落地鋼管桁架在豎向段為兩片平面桁架交叉形式，兩片落地桁架間距達22m，落地桁架管桁架立柱采用Φ550×20鋼管內灌混凝土形式。上部水平段為三角形懸挑桁架形式，懸挑跨度最大達39.7m，上下弦桿采用Φ(550～402)×16mm變截面，腹桿截面為Φ402×16mm，內環(huán)封口桁架弦桿采用Φ351×10mm等，管桁架平面布置如圖2所示，單榀主受力管桁架結構如圖3所示。

圖2 管桁架平面布置圖圖3單榀主受力管桁架結構示意圖

實際施工時，考慮構件運輸及現場起吊能力，將單榀大懸挑三角形管桁架分成四個吊裝單元進行原位吊裝，最大吊裝單元長度為32m，重量為68噸。每個吊裝單元采用散件運至現場，現場拼裝為吊裝單元后再進行吊裝的施工方案。[5]

根據大懸挑三角形鋼管桁架結構特點和分段吊裝方案設計，每榀鋼管桁架結構布置三個臨時支撐點和一個永久支撐點，永久支撐點布置在D-E 軸體育場混凝土屋蓋頂部，支撐在懸挑桁架跨中拼接點作為桁架拼接平臺，第一個臨時支撐架布置在大懸挑桁架的懸挑端部，作為桁架懸挑端的臨時支撐點，其余兩個支撐架作為人字形立柱的臨時支撐點，整個體育場罩棚鋼結構共設置192個支撐點，桁架端部48個塔架臨時支撐點，臨時支撐布置如圖4-6所示。

圖4 臨時支撐平面布置圖

圖5 懸挑段支撐架布置立面圖

圖6 鋼架人字柱支撐架布置立面圖

1.2 施工過程仿真模擬計算模型

1.2.1 計算參數

鋼材彈性模量取值為206 Gpa，鋼材泊松比取值為0.3，鋼材的自重按78.50kN/m3計算，計算溫度荷載時鋼材線膨脹系數按1.2×10-5m/m℃計算。

1.2.2 計算模型

圖7 施工過程仿真模擬計算模型

在有限元軟件Midas/gen中建立銅陵體育館工程有限元模型，大懸挑管桁架空間結構中的弦桿和腹桿、加強支撐桁架和塔柱中的構件均采用梁單元，具體單元尺寸依照設計尺寸輸入，按“等截面三維梁單元”模擬，考慮有軸向拉伸或(壓縮)、彎曲、剪切、扭轉的變形剛度。在單元坐標系和全局坐標系里，梁單元的每一個節(jié)點考慮具有6個自由度，即考慮三個方向的線性位移和三個方向的旋轉位移。在懸挑部分的管桁架對模擬的梁單元釋放梁自由度。[6]主體結構自重由軟件自動導入，計算模型如圖7所示。

2 實例研究

2.1 結構一次成型仿真模擬

大懸挑三角形管桁架空間結構的設計是根據結構受一次性加載來進行計算的，結構一次成型下的仿真模擬是采用施工過程全部結束后結構所受荷載一次性加載到結構上觀察結構的響應為目標。[7]

銅陵體育館大懸挑三角形管桁架空間結構在一次成型情況下，結構在X方向、Y方向、Z方向位移分布及結構的總位移分布如圖8所示。

(a)結構X方向位移分布(b)結構Y方向位移分布

圖8 一次成型結構整體位移分布

通過對大懸挑三角形管桁架在一次成型情況下的計算分析，通過計算結果可以得出在施工過程中整體結構變形主要是Z方向的變形。各個方向的變形情況如下：X方向的最大位移為8.29mm，Y方向的最大位移為5.11mm，Z方向的最大位移為44.79mm，整體結構總位移最大為45.19mm。

2.2 結構分步成型仿真模擬

按照施工方案中的結構分布成型安裝過程，采用有限元軟件Midas Gen對整個施工安裝過程進行仿真模擬，分析過程中，采用節(jié)點彈性支撐來模擬支撐胎架對結構的支撐作用。[8]整個鋼結構的安裝過程分成6個施工階段，其中鋼結構吊裝過程分為5個施工階段，卸載過程為1個施工階段，施工階段的模擬是通過激活不同的結構組、邊界組及荷載組來進行模擬。卸載階段采用的是對邊界組進行鈍化的方法來模擬支撐架的卸載。[9]各個施工階段計算結果見圖9。

通過對大懸挑三角形管桁架在分布成型情況下的計算分析，通過計算結果可以得出在施工過程中整體結構變形主要是Z方向的變形。各個方向的變形情況如下:X方向的最大位移為7.39mm，Y方向的最大位移為4.62mm，Z方向的最大位移為40.51mm，整體結構總位移最大為40.89mm。

通過對比一次成型和分布成型兩種不同的計算結果， X方向位移最大值相差0.7mm，相對增加9.45%;Y方向位移最大相差0.5mm，相對增加10.82%;Z方向位移最大相差4.3mm ，相對增加10.61%;整體結構總位移相差為4.3mm，相對增加10.51%。

采用Midas Gen有限元分析中提供的施工階段仿真模擬對擬定的施工方案中結構施工全過程進行跟蹤分析，得出施工全過程中結構變形變化的數據，對比兩種成型情況下節(jié)點結構整體的位移變化，X、Y、Z方向的位移變化均在10%左右，結構在懸挑端部位移變化比較明顯，因此對大懸挑三角形管桁架空間結構施工過程中進行位移控制是必要的。管桁架屬于剛性結構，變形控制可采用以上的分析結果，施工過程中在安裝構件懸挑端部設置向上的變形預調值來補償結構的變形，從而達到控制施工位移的目標。[10]

(a)施工第一步

(b)施工第二步

(c)施工第三步

(d)施工第四步

(e)施工第五步

(f)施工第六步

圖9 施工階段流程分析

2.3 結構合攏時溫度影響計算分析

溫度作用主要考慮太陽輻射、氣溫變化等因素，作用在構件或結構上的溫度作用應通過其溫度的變化數值來衡量。鋼材的線膨脹系數αT=1.2×10-5m/m℃，所以管桁架屬于對氣溫變化較敏感的結構，為安全起見，應考慮極端氣溫的影響，基本氣溫Tmax和Tmin可根據工程所在地施工期間氣候條件作適當調整。施工階段的管桁架通常依據結構的朝向和表面吸熱性質考慮太陽輻射的影響。管桁架空間結構的最高初始平均溫度和最低初始平均溫度可根據其合攏成形的時間確定，或根據施工期間其可能出現的溫度按不利情況確定。[11]

依據銅陵體育館工程施工調查資料，確定合攏時溫度基于+10～16℃，作用結構的溫度工況為20℃，為研究溫度變化對結構成形后的影響，采用設計軟件3D3S11進行溫度計算，分析了整體結構在三種工況(①：1.0D；②：1.0D+1.0T；③：1.0D-1.0T)作用下，其豎向位移和構件強度的變化趨勢，總結了溫度變化對環(huán)形超長構件受力性能的影響。其計算輸出結果如圖10所示。

(a)1.0D工況豎向位移圖

(b)1.0D工況豎向應力圖

(c)1.0D+1.0T豎向位移圖

(d)1.0D+1.0T豎向應力圖

(e)1.0D-1.0T豎向位移圖

(f)1.0D-1.0T豎向應力圖

圖10 溫度計算輸出結果

環(huán)形超長構件計算結果輸出數值整理如表1所示。

表1 計算結果

計算分析結果表示，大懸挑三角形管桁架空間結構體系中，盡管管桁架結構的空間剛度和協(xié)調變形能力較好，但是，溫度的變化對結構成形后的變形和構件強度影響較大，相對合攏溫度，溫度升高20℃，內環(huán)檐口構件豎向位移為-32.9mm，標高提升8.3mm，豎向位移降低了20%，而構件的最大應力比增加了10%；相對合攏溫度，溫度降低20℃，內環(huán)檐口構件豎向位移為-62.2mm，標高降低了21mm，豎向位移增加了51%，而構件的最大應力比增加了5%。分析比較可知：溫度升高，對結構的豎向位移有利，其代價是構件的內應力增加，即對構件的應力比控制不利；溫度降低，對結構的豎向位移不利，同時，構件的內應力也有所增加，相對溫度升高情況較小，即對構件的應力比控制也是不利的。

在實際工程應用中，大懸挑三角形管桁架結構體系，其環(huán)形超長構件依據設計文件中的規(guī)定，選擇溫度較低的合攏溫度時，需要確定當地的構件表面最高太陽輻射溫度，復核結構強度的驗算，避免由于溫度的升高，構件的應力比超出設計范圍；選擇溫度較高的合攏溫度時，需要分析并確定大懸挑三角形鋼管桁架結構的預起拱值，做好懸挑結構的豎向位移控制，使卸載成形后的懸挑結構豎向位移滿足設計要求。

3 結 論

文章針對大懸挑管桁架空間結構施工過程，利用Midas Gen有限元分析軟件，對大懸挑管桁架鋼結構的施工過程進行了模擬仿真分析；采用設計軟件3D3S11進行溫度計算，對管桁架在溫度應力影響下的結構合攏情況進行研究。共得出如下結論：

(1)利用Midas Gen有限元分析軟件，分別分析了結構一次成型與分步成型兩種情況下結構位移的變化規(guī)律，提出通過設置安裝構件變形預調值來滿足實際施工需要的解決方案。

(2)通過研究管桁架空間結構合攏時的不同溫度變化情形，分析溫度變化對結構的變形和結構內力的影響程度，為工程選擇適宜的施工合攏時間提供理論依據。

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[責任編輯：張永軍]

Simulation Analysis and Research Review on the Construction Process of the Large Cantilever Pipe Truss Spatial Structures:Taking the Tongling Stadium as an Example

FAN Jia- mao1， SHEN Wan- yu2，ZHANG Bing- shun2

(1.Department of Architecture Engineering,Hefei Technology College,Chaohu 238000, Anhui；2.Anhui FuHuang Architectural Design Research Limited Company, Hefei 230088,China)

Aiming at the spatial structure system of the large cantilever triangle pipe truss on the Tongling stadium, the whole construction processes were simulated and analysed by the finite element analysis software Midas Gen in the both cases of a molding and multistep molding.The law of structural displacement has been gotten.The solutions of Controlling the displacement of the construction have been proposed by Setting up the preset values of the installation components deformation. The temperature change on the influence of structure deformation and internal force was analysed by the design software of 3D3S11.Theoretical basis has been proposed for choosing the right time to fold in the engineering construction. The results of the study could be a reference for the construction of the similar large cantilever pipe truss spatial structures.

large cantilever pipe truss；spatial structure；construction process；simulation analysis

2016-10-28

2017-03-01

2015年安徽省高等教育振興計劃項目(2015zdjy194)資助。

范家茂(1967— )，男，安徽無為人，合肥職業(yè)技術學院建筑工程系副教授、國家注冊監(jiān)理工程師，一級建造師；研究方向：建筑與土木工程。

TU745.2

A

2096-2371(2017)02-0099-07