王培森，路鵬

（山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，濟(jì)南250101）

1 引言

近年來(lái)，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，建筑對(duì)大空間的需求，大跨度鋼桁架、網(wǎng)架等鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文以濟(jì)南西客站站房鋼桁架屋頂滑移法施工為研究對(duì)象，利用有限元軟件ANSYS 對(duì)張拉對(duì)象建模，模擬預(yù)應(yīng)力加載過(guò)程，得到各控制點(diǎn)在張拉過(guò)程中的變形量。利用數(shù)值模擬分析結(jié)果控制張拉過(guò)程，保證張拉質(zhì)量，同時(shí)確保張拉過(guò)程順利進(jìn)行，給大型屋蓋滑移施工過(guò)程提供依據(jù)[1]。

2 屋蓋滑移方案

2.1 工程概況

濟(jì)南西客站是京滬高速鐵路5 個(gè)始發(fā)終點(diǎn)站之一。車(chē)站中心里程DIK419+415，站房位于線(xiàn)路左側(cè)，面向城市。車(chē)站橫列式布局，設(shè)8 臺(tái)15 線(xiàn)（不含2 條高速正線(xiàn)）。到發(fā)線(xiàn)有效長(zhǎng)度滿(mǎn)足650m。濟(jì)南西客站預(yù)計(jì)2020 年發(fā)送旅客2151 萬(wàn)人/a，2030 年發(fā)送2807 萬(wàn)人/a。

新建站房最高聚集人數(shù)4000 人，總建筑面積99786m2，無(wú)站臺(tái)雨棚65326m2。

濟(jì)南西客站Ⅱ區(qū)高架候車(chē)廳鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分為A、B、C 3 個(gè)區(qū)，如圖1、圖2 所示。

圖1 屋蓋結(jié)構(gòu)分區(qū)圖

圖2 屋蓋結(jié)構(gòu)三維軸測(cè)圖

A 區(qū)的寬度116.4m，長(zhǎng)度99m；B 區(qū)寬度116.4m，長(zhǎng)度77.5m，C 區(qū)寬度107m，長(zhǎng)度25m。其中，A 區(qū)和B 區(qū)結(jié)構(gòu)間有300mm 的間隙。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋型鋼梁及斜撐等附屬桿件多采用螺栓連接，而其中主桁架及型鋼梁、弧型梁等桿件均為弧形，加工、安裝難度較大。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約3000t，鋼材材質(zhì)均為Q345B。

2.2 液壓滑移原理

“液壓同步滑移技術(shù)”的滑移驅(qū)動(dòng)設(shè)備為組合式結(jié)構(gòu)，中間利用液壓油缸驅(qū)動(dòng)爬行，一端以鉸接連接滑移胎架或構(gòu)件，一端以楔形夾塊與滑移軌道連接?；七^(guò)程如下：安裝連接完畢后，爬行器液壓缸伸缸推動(dòng)滑移，一個(gè)行程滑移300mm；伸缸行程完畢后，縮缸，松開(kāi)楔塊與滑移軌道，拖動(dòng)夾緊裝置向前滑移；縮缸完畢，繼續(xù)拖動(dòng)夾緊裝置向前滑移，一個(gè)行程300mm。如此循環(huán)往復(fù)，使構(gòu)件滑移至最終位置[2]。

2.3 滑移平面布置

限于現(xiàn)場(chǎng)條件，為保證施工安全，待土建完成高架候車(chē)廳樓層混凝土施工，養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，下部結(jié)構(gòu)已形成整體，此時(shí)針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工采用整體累計(jì)滑移技術(shù)。在西側(cè)Ⅱ-L 和Ⅱ-N 間搭設(shè)高空操作平臺(tái)，安裝方式為地面拼裝、整體吊裝、高空補(bǔ)檔。屋蓋主、次桁架拼裝完成后，分4 段吊裝主桁架，整體吊裝次桁架。主次桁架安裝就位后，連接型梁、檁條等構(gòu)件，達(dá)到滑移條件。

滑移過(guò)程中高架層至屋蓋的鋼柱，柱長(zhǎng)約13.9m，于鋼柱間加設(shè)連桿傳遞爬行器推力，以增加滑移單位的整體穩(wěn)定性，減小變形量。

2.4 滑移安裝流程

高架候車(chē)廳屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝流程如圖3 所示。

圖3 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝流程

3 數(shù)值模擬計(jì)算

為保證滑移施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安裝，特采用大型有限元分析程序ANSYS10.0 對(duì)屋面結(jié)構(gòu)滑移施工進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)施工方案，本方案采用累積滑移，共有9 組滑移單元。

3.1 計(jì)算參數(shù)

結(jié)構(gòu)中的Q345B 鋼材材料參數(shù)如下：

彈性模量：E=2.06×105MPa；泊松比：γ=0.3；密度：ρ=7.85×103kg/m3；線(xiàn)膨脹系數(shù)：α=1.2×10-5℃-1；屈服強(qiáng)度：fy=345MPa；強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：f=fy/1.15=300MPa。

根據(jù)施工方案，累積滑移整體屋面結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型如圖4 所示，主體結(jié)構(gòu)的桿件單元采用beam188 梁?jiǎn)卧庸虠U件采用link8 單元。

圖4 構(gòu)件應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

荷載：滑移過(guò)程中不考慮風(fēng)荷載及地震作用，將自重放大1.35 倍。

約束：結(jié)構(gòu)在滑移行進(jìn)過(guò)程中僅受到軌道豎直方向的約束，因此于柱腳施加Z向約束，X、Y方向釋放約束[3]。

3.2 計(jì)算分析

對(duì)各滑移單元進(jìn)行施工狀態(tài)計(jì)算分析：取滑移單元一為C 區(qū)部分的滑移。

可以看出，Z向位移最大值位于桁架跨中處，為38.28mm＜59000/400=147mm，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為79.45＜[f]=95MPa, 滿(mǎn)足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

同理可以求出其余8 個(gè)單元構(gòu)件最大應(yīng)力，均滿(mǎn)足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

3.3 特殊工況分析

為確?；瓢踩?，利用ANSYS 軟件分析計(jì)算可能出現(xiàn)的特殊工況：

1）軌道表面平整度偏差為20mm 時(shí)，對(duì)屋蓋的內(nèi)力及變形進(jìn)行分析；

2）出現(xiàn)滑移不同步現(xiàn)象且不同步值達(dá)到30mm 時(shí)，對(duì)屋蓋的內(nèi)力及變形進(jìn)行分析；

3）頂推鋼柱過(guò)程中偏心值達(dá)到20mm 時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力及變形分析。

分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為62N/mm2，最大變形值為45mm，均在規(guī)范許可范圍內(nèi)。

3.4 卸載過(guò)程計(jì)算分析

與滑移過(guò)程不同，卸載過(guò)程中存在鋼柱的標(biāo)高不一致的情況，其中，中間軌道鋼柱最大落差為40mm，兩側(cè)軌道鋼柱最大落差為20mm?，F(xiàn)分析結(jié)構(gòu)受力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

由圖5 可以看出，卸載過(guò)程中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大下?lián)现禐?19mm，119mm＜59000/400=147mm；結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為95.2MPa＜[f]=295MPa，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.5 結(jié)論

從屋面結(jié)構(gòu)滑移施工計(jì)算結(jié)果得出如下結(jié)論：

1）滑移過(guò)程中，Z向位移最大值位于桁架跨中處，是標(biāo)準(zhǔn)值1/5～1/4,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力是標(biāo)準(zhǔn)值1/5～1/4，均滿(mǎn)足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求；

圖5 桿件應(yīng)力比云圖

2）在施工過(guò)程中，增加臨時(shí)措施，最終滑移結(jié)構(gòu)最大豎向撓度為54mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求；

3）滑移過(guò)程中，各累積滑移單元的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力最大為62N/mm2，保證結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)；

4）對(duì)滑移細(xì)微不同步、軌道不平整等特殊工況進(jìn)行分析，不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞；

5）依據(jù)支座的最大豎向反力標(biāo)準(zhǔn)值1598.6kN 對(duì)滑移支撐架和型梁進(jìn)行設(shè)計(jì)；

6）卸載過(guò)程中的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大下?lián)现稻鶟M(mǎn)足規(guī)范要求[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工，共分9 個(gè)高空作業(yè)單元進(jìn)行拼裝滑移，歷時(shí)近40d，未出現(xiàn)異常情況，支撐體系的整體性、穩(wěn)定性、剛度、強(qiáng)度均保持良好。它不但保證了工期及整體效益，也對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)支撐體系安全提供了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)用有限元分析屋蓋滑移施工過(guò)程，控制控制點(diǎn)在張拉中的變形量，對(duì)張拉進(jìn)行控制，保證張拉過(guò)程的順利進(jìn)行，無(wú)需大量拼裝胎架，只需較少數(shù)量的拼裝胎架即可，節(jié)省材料費(fèi)用；對(duì)起重設(shè)備性能要求相對(duì)較低，起重設(shè)備投入相對(duì)較少，吊裝工作程序簡(jiǎn)單；適合建筑物縱向長(zhǎng)距離施工，施工順序較為合理，不會(huì)引起工期的拖延。該工程的順利進(jìn)行為大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋滑移施工提供了工程和理論依據(jù)。