周大興

（中鐵建設集團有限公司 北京 100040）

1 引言

隨著我國經濟與社會的發(fā)展，大跨度鋼結構屋蓋已廣泛應用于機場、車站、會展中心、體育場館等建筑。對于這些結構，目前一般采用高空原位散拼法、整體／分塊吊裝法、整體／分塊提升或頂升法、滑移法、折疊展開法等進行安裝［1］。但隨著一些工程事故的出現(xiàn)，這些結構的力學行為，尤其是施工過程的受力情況，逐漸受到重視［2-3］。

在大跨度鋼結構的施工過程分析方面，我國已經積累了不少研究成果。如，王秀麗和榮子豪等人利用生死單元法和支座位移法對某空間管桁架結構體育館進行了施工全過程模擬分析［4］；蔡柳鶴和賈尚瑞等人研究了蘇州文體中心體育館屋蓋在滑移施工過程中的力學行為［5］；余滔在研究某改造工程雙曲殼體鋼結構施工時對該結構的提升過程進行了仿真分析［6］；陳海洲和王玉嶺等人對超大面積焊接球網架整體提升過程進行了數(shù)值模擬與計算分析［7］；伍中平通過研究超薄巨型鋼桁架提升過程變形控制技術對該結構提升過程進行了計算分析［8］；等等。

從研究現(xiàn)狀來看，已有文獻大多關注施工階段結構的力學行為，而未分析施工方法對運營階段結構受力狀態(tài)的影響。范重和趙長軍等人在研究大型鋼結構工程分期建造施工模擬技術時指出，在恒荷載工況下，分期施工模擬與一次加載計算得到結果存在差異，其中個別位置的豎向變形差異接近20%，個別桿件的應力差異在40%左右［9］。不過，該文獻沒有進一步研究施工過程對運營階段結構在多荷載工況作用下的影響程度。從實際應用情況來看，除索、膜結構外，大跨度鋼結構屋蓋的設計文件中不會指定施工方法，其計算是按照結構“一次成型”進行分析，這種分析方式相當于模擬了施工中的原位散拼。然而原位散拼施工效率低，施工時往往會采用整體（或分塊）提升、滑移等方法。但施工方法往往會改變屋蓋在自重作用下受力體系，從而產生內力重分布。不同的施工方法或施工順序在結構中產生內力分布是不一樣的［10］。

鑒于上述原因，研究施工方法對大跨度鋼結構屋蓋設計的影響以及如何保證結構在施工階段和運營階段的受力安全十分必要。

2 屋蓋安裝的“兩階段”分析法含義

針對大跨度鋼結構屋蓋的設計與施工，本文結合有關工程實踐提出了一種“兩階段”分析方法：首先確定屋蓋初步安裝方案，分析在施工階段結構的受力狀態(tài)（必要時可以采用換桿等措施進行加強）；在滿足要求的前提下，進行考慮施工過程影響的運營階段受力分析驗算（必要時可以采用換桿等措施進行加強）；在計算結果能滿足“兩階段（施工階段和運營階段）”要求后，結構的力學行為才能處于安全可控狀態(tài)（見圖1）。

3 “兩階段”分析法對屋蓋設計影響分析

3.1 工程背景

昆明南站總建筑面積33萬m2。其屋面采用“正交管桁架+螺栓球網架”結構，桁架主要采用四角型管桁架，螺栓球網架為正放四角錐下弦支撐網架。屋蓋東西長411 m，南北寬155.8 m，南北懸挑13.38m。橫向基本柱網為三跨（44.9 m+66 m+44.9 m），縱向最大柱距30.85 m。該站屋蓋結構體系示意見圖2。

圖1 屋蓋安裝的“兩階段”分析法

圖2 屋蓋結構體系

根據(jù)現(xiàn)場具體情況，采用分塊提升方式進行屋蓋安裝。結合結構縫分布（原屋蓋結構沿字母軸線有兩處結構縫，分別位于：W3與W1、W2之間，W5與W6之間）及高架層施工進度，具體分W1、W2、W3、W4、W5、W6共 6個區(qū)域，如圖3所示。其中，W6、W5、W3、W4區(qū)整體提升，整體提升到位；提升到位后嵌補桿件，嵌補完成后整體卸載。W1區(qū)和W2區(qū)分兩次提升，W1區(qū)先提升到位，再提升W2區(qū)。該屋蓋6個提升區(qū)域總重約8 500 t。

其中，W1區(qū)屋蓋總重約1 450 t，共布置12個提升點；W2區(qū)屋蓋總重約650 t，共布置8個提升點；W3區(qū)屋蓋總重約900 t，共布置12個提升點；W4區(qū)屋蓋總重約1 200 t，共布置11提升點；W5區(qū)屋蓋總重約2 100 t，共布置16個提升點；W6區(qū)屋蓋總重約2 200 t，共布置22個提升點。所有提升點均設置在結構柱柱頂。但屋蓋結構部分桿件的垂直投影在柱身范圍內，因此提升過程中需要將這部分桿件臨時拆除，通過臨時加固的方式對屋蓋進行局部加強。待提升完成后將缺失的原設計桿件進行安裝，同時將有關臨時桿件進行拆除（見圖4）。

圖3 屋蓋結構施工分區(qū)平面示意

3.2 屋蓋施工階段（提升）計算

為便于表達，設某結構在施工階段分n個子部分，依次按照1，2，3，……，n個階段完成。則第 i個施工階段有限元基本方程與內力計算方程為：

式中，Ki為第i個施工階段時不完整結構的整體剛度矩陣；Ui為第i個施工階段時不完整結構的節(jié)點位移向量矩陣；Pi為第i個施工階段中第i個子部分的節(jié)點力向量矩陣；Ni為第i個施工階段時不完整結構的桿件內力向量矩陣；ki為第i個施工階段時不完整結構的單元剛度矩陣；Ai為第i個施工階段時不完整結構的幾何矩陣。

結構位移和桿件內力為：

式中，Uj為第j個施工階段結構節(jié)點的總位移向量；Nj為第j個施工階段結構桿件的總內力向量。

目前分析計算時一般結合有限元分析軟件的“生／死（激活／鈍化）單元技術”來模擬結構工程施工過程。這種模擬方式的基本原理就是采用前面所述公式（1）～（4）。計算過程中主要考慮構件自重、提升點的不同步性、風荷載、溫度作用等因素影響。本文采用Midas／GEN軟件對每個分區(qū)進行施工過程分析［11-12］，其中W1區(qū)施工過程分析模型見圖5。對于吊點及附近結構相貫節(jié)點，采用有限元進行局部受力分析，計算模型見圖6。

圖4 提升點附近桿件布置方案

圖5 W 1區(qū)分析模型

從計算結果來看，在施工過程中屋蓋結構桿主桁架弦桿的最大應力比為0.44，主桁架腹桿的最大應力比為0.46；臨時提升加固桿件的最大應力比為0.94，具體見表1。另外，吊點及附近結構相貫節(jié)點的最大應力為178 MPa（見圖7）。

表1 施工階段屋蓋桿件應力比

圖6 吊點及附近結構相貫節(jié)點的計算模型

圖7 吊點及附近結構相貫節(jié)點的應力分布

3.3 考慮施工過程影響的運營階段計算

根據(jù)結構設計原則和基本要求，該站屋蓋考慮提升過程影響的運營階段計算應計入恒載、風荷載、地震作用、溫度作用和雪荷載等因素影響，并按照設計及規(guī)范要求進行相關荷載及分項系數(shù)取值。本文采用Midas／GEN軟件進行整體分析，其中W1、W2和W5區(qū)整體分析模型見圖8。對于節(jié)點受力，采用有限元進行分析，計算模型見圖9。

圖8 W1、W2和W5區(qū)分析模型

圖9 結構相貫節(jié)點的計算模型

在運營階段，本文對比了實際施工和原設計的計算結果。從表2的有關數(shù)據(jù)可知，考慮實際施工過程影響時，桁架部分的最大應力比為1.03，網架部分的最大應力比為0.92。其中，主桁架弦桿的應力水平比原設計增加了23%，主桁架腹桿的應力水平比原設計增加了19%。

表2 運營階段屋蓋桿件應力比

圖10 屋蓋橫向桁架結構布置

之所以會出現(xiàn)上述情況，是因為不同的施工方法會導致內力重分布。該站屋蓋橫向為三跨結構（見圖10）。由于提升機構的影響，施工過程中柱頂?shù)牟糠窒覘U不安裝。雖然采用了加固桿進行補強，但在柱頂附近的桁架整體剛度仍有所降低。這樣，在自重作用下桁架所承受的彎矩分布會產生變化：柱頂附近桁架承受的負彎矩會減小，跨中桁架承受的正彎矩會增大（見圖 11a）。對于 W1區(qū)與 W2區(qū)，二者分界位于中間跨柱頂附近，因此在自重作用下桁架承受的彎矩也將產生明顯變化（見圖11b）。由于運營階段結構還要承受其他荷載作用（比如，風荷載、溫度作用及地震作用等），部分桿件的受力狀態(tài)超過原設計預期。

圖11 自重作用下橫向桁架承受的彎矩

為了保證結構的安全，對屋蓋部分桿件進行了換桿（增大桿件的截面）。在滿足整體受力要求的前提下，還對關鍵的相貫節(jié)點進行了受力分析。從計算結果來看，相關節(jié)點區(qū)域附近最大應力為267 MPa，具體見圖12。

圖12 相貫節(jié)點區(qū)域應力分布

4 結束語

對于大跨度鋼結構的安裝，施工過程分析及其影響研究是保證結構安全的重要措施。從本文研究內容可以得出如下結論：

（1）本文提出的“兩階段”分析法不同于傳統(tǒng)大跨度屋蓋分析方法。該方法不僅保證了結構在施工過程的安全，也可以讓結構在運營階段的受力情況處于安全可控狀態(tài)。

（2）對于大跨度鋼結構屋蓋，施工過程帶來的內力變化會對結構在運營階段的受力狀態(tài)產生影響，且不能忽略。應在施工階段分析的基礎上，研究在運營階段結構的受力狀態(tài)。

（3）在大跨度鋼結構屋蓋的設計與施工中，在分析結構整體受力的同時，應注重研究細部節(jié)點受力狀態(tài)。