貢宏要,盛旭東,王 瑋,張家興,王靜峰,齊文奇,李貝貝

(1.中鐵四局集團(tuán)建筑工程有限公司,安徽 合肥 230022;2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,越來(lái)越多的火車站站房、體育館、展覽館等投入建設(shè),這些建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)普遍采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[1-2],如杭州國(guó)際博覽中心和嶺南明珠體育館等建筑。大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有方便施工、便于維修、通風(fēng)和透光性能好等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際施工中,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)邊界條件、受力和變形響應(yīng)會(huì)隨著施工進(jìn)度發(fā)生變化,加之施工環(huán)境、天氣因素和人為操作等影響,使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。而且網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相較于平面結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,拼裝困難,容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安裝出現(xiàn)缺陷,甚至出現(xiàn)安全隱患。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)等進(jìn)行了諸多分析和研究。為降低空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn),確保結(jié)構(gòu)受力體系平穩(wěn)轉(zhuǎn)變,施工過(guò)程中需設(shè)置支撐胎架[3],支撐胎架的設(shè)置與卸載方式影響施工安全和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外,網(wǎng)架拼裝和合龍精度控制[4]是空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工時(shí)需要解決的難題。目前,針對(duì)大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)常用的施工方法有高空散拼法[5]、滑移法[6]、分塊吊裝法[7]等。高空散拼法受場(chǎng)地限制較小,對(duì)大型機(jī)械要求較低,但該方法需要搭設(shè)大量散拼支架,高空作業(yè)多,施工進(jìn)度緩慢?；品稍讵M窄施工環(huán)境下施工,施工進(jìn)度快,但不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。分塊吊裝法將結(jié)構(gòu)分成區(qū)域塊,在平臺(tái)上拼裝,施工效率高,施工進(jìn)度較快,且在吊裝過(guò)程中易控制,能有效保障焊接質(zhì)量和施工安全。

廣汕高速鐵路新塘站站房屋蓋為大跨度空間結(jié)構(gòu),其中南、北兩側(cè)屋蓋為曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu),施工精度要求高。本文根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),從施工方案比選、施工全過(guò)程仿真模擬、支撐胎架卸載及溫度效應(yīng)的影響等方面系統(tǒng)分析施工關(guān)鍵技術(shù),保障該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在施工過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。

1 工程概況

新塘站站房位于廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)站前路與環(huán)城路之間,是廣州鐵路樞紐“五主三輔”中的東區(qū)樞紐中心,站房效果如圖1所示。新塘站站房建筑外觀設(shè)計(jì)融入了掛綠荔枝和白仙瀑布等文化主題,體現(xiàn)了廣州當(dāng)?shù)厣詈竦奈幕蜌v史底蘊(yùn),如圖2所示。

圖1 新塘站站房效果Fig.1 Station building effect of Xintang Station

圖2 建筑外觀Fig.2 Architectural appearance

新塘站站房屋蓋為三維曲面造型,采用網(wǎng)架-桁架混合結(jié)構(gòu)。其中南、北側(cè)屋蓋結(jié)構(gòu)采用空心球節(jié)點(diǎn)正放四角錐網(wǎng)架,中部屋蓋結(jié)構(gòu)采用三角錐形桁架,桁架最大跨度為68m,網(wǎng)架最大跨度為54m,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面投影最大尺寸為300m×30m,南、北側(cè)網(wǎng)架幾乎對(duì)稱分布,屋蓋結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。本文研究對(duì)象為南、北側(cè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

圖3 站房屋蓋結(jié)構(gòu)示意Fig.3 The station roof structure

新塘站站房屋蓋支撐在圓鋼管混凝土柱上,柱截面尺寸為1 500mm×40mm,內(nèi)填C40混凝土。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)材料均為熱軋無(wú)縫鋼管,主要桿件尺寸如表1所示。

表1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要桿件尺寸與材質(zhì)Table 1 Dimensions and materials of main members of the grid structure

2 施工重難點(diǎn)分析

1)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)面積大,設(shè)備大多位于站臺(tái)層、地面層,網(wǎng)架拼裝施工及夾層鋼柱安裝設(shè)備位于地面層。吊裝設(shè)備行走路線、堆場(chǎng)布置對(duì)樓板加固措施影響較大,是本工程施工考慮的重點(diǎn)。

2)屋蓋為非對(duì)稱超大曲面空間網(wǎng)架系統(tǒng),最大尺寸30m,施工過(guò)程中精度控制和精準(zhǔn)合龍是施工難點(diǎn)。

3)依據(jù)屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為保證施工安全和精度需設(shè)置格構(gòu)式胎架作為支撐措施,支撐胎架定位及卸載為施工重難點(diǎn)。

為解決以上施工重點(diǎn)和難點(diǎn),對(duì)多種施工方案進(jìn)行對(duì)比分析,并在其基礎(chǔ)上采用有限元分析軟件MIDAS對(duì)施工全過(guò)程中的關(guān)鍵工況進(jìn)行仿真模擬。

3 施工方案

3.1 施工方案比選

根據(jù)新塘站站房特點(diǎn)及工程重難點(diǎn),從施工方案的可行性、先進(jìn)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)比網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工方案,如表2所示。

表2 施工方案比選Table 2 Comparison and selection of construction plans

1)方案1 分塊吊裝法。先將曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋劃分為多塊吊裝單元,采用汽車式起重機(jī)站位于9.900m站房樓板和16.900m東側(cè)站區(qū)道路上進(jìn)行分塊吊裝和就位后的焊接拼裝,隨后吊裝各分塊網(wǎng)架間的后補(bǔ)桿件,嵌補(bǔ)隨網(wǎng)架單元吊裝的進(jìn)展逐步插入。拼裝吊裝單元無(wú)需高大的支撐胎架,高空作業(yè)少,高空焊接量少,拼裝質(zhì)量易保證。

2)方案2 滑移法。網(wǎng)架在16.900m東側(cè)站區(qū)道路上設(shè)置拼裝平臺(tái)進(jìn)行拼裝,區(qū)域塊拼裝完畢后,下落至滑移軌道,向前滑移至預(yù)期位置。然后再在拼裝平臺(tái)拼裝下一個(gè)區(qū)域塊,拼裝完成后滑移至預(yù)定位置與上一區(qū)域塊合龍。如此往復(fù)拼裝合龍,直至網(wǎng)架施工完畢。

3)方案3 高空散拼法。在設(shè)計(jì)位置安裝拼裝支架,采用起重設(shè)備將曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋各構(gòu)件吊至拼裝支架處,在拼裝支架上進(jìn)行高空焊接拼裝,適用于多種復(fù)雜施工場(chǎng)地,但工期緩慢,高空作業(yè)多。

經(jīng)過(guò)方案對(duì)比,新塘站站房屋蓋采用分塊吊裝法進(jìn)行施工。

3.2 施工工況

新塘站站房屋蓋整體采用從東向西分塊吊裝施工順序,局部區(qū)域采用從西向東施工順序,如圖4,5所示,施工便捷,工序可交叉,縮短工期。

圖4 北側(cè)網(wǎng)架施工平面布置Fig.4 Construction layout plan of the north side grid

圖5 南側(cè)網(wǎng)架施工平面布置Fig.5 Construction layout plan of the south side grid

4 施工全過(guò)程仿真模擬

為保證工程施工質(zhì)量及施工安全,采用有限元分析軟件MIDAS Gen對(duì)曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋施工過(guò)程進(jìn)行仿真模擬[8],通過(guò)各工況下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力和豎向位移響應(yīng)評(píng)估施工方案的合理性。

計(jì)算模型共5 661個(gè)結(jié)點(diǎn)、17 382個(gè)單元;弦桿、腹桿及連接系桿等構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧?均為Q355B鋼材,鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為295MPa。模型如圖6所示。模型中僅考慮施工荷載,取1.3倍結(jié)構(gòu)自重。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]規(guī)定應(yīng)滿足如下要求：鋼構(gòu)件應(yīng)力限值為295MPa、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件撓度容許值為L(zhǎng)/400(L為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)跨度)。

圖6 北側(cè)網(wǎng)架有限元分析模型Fig.6 Finite element analysis model of the north side grid

4.1 模擬分析

為了計(jì)算便捷,選取8種典型施工工況作為模擬分析對(duì)象。利用MIDAS Gen定義每種工況邊界條件、荷載、結(jié)構(gòu)類型,模擬施工全過(guò)程。8種工況下網(wǎng)架和支撐胎架應(yīng)力及變形如表3所示。其中工況5,12模擬結(jié)果分別如圖7,8所示。

表3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)典型工況模擬分析結(jié)果Table 3 Simulation analysis results of typical construction cases of grid structure

圖7 施工工況5模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of construction case 5

圖8 施工工況12模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of construction case 12

4.2 支撐胎架卸載方案比選

4.2.1模擬分析

為提高施工效率和保障施工安全,網(wǎng)架在吊裝過(guò)程中需設(shè)置支撐胎架(見(jiàn)圖9),作為結(jié)構(gòu)未成型前的臨時(shí)支撐。安裝支撐胎架時(shí),底座通過(guò)預(yù)埋件固定,構(gòu)件均為Q235B鋼材。其中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、底層節(jié)和調(diào)整節(jié)構(gòu)件截面尺寸均為φ219×10,橫綴桿、斜綴桿、橫隔截面尺寸均為φ76×5,底座規(guī)格為HN450×200×8×12,底座連系梁規(guī)格為HW300×150×6×9。

圖9 支撐胎架Fig.9 The support bed-jig

支撐胎架在卸載過(guò)程中會(huì)引起網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力體系變化,如果卸載方案不合理,可能會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件超應(yīng)力或大變形等安全隱患。根據(jù)支撐胎架卸載過(guò)程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)豎向位移和應(yīng)力值,對(duì)不同卸載方案進(jìn)行比對(duì)。

為簡(jiǎn)化計(jì)算和提高計(jì)算效率,選取豎向位移變化最大區(qū)域塊(1,2,H1,3,4,H2號(hào))作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋支撐胎架卸載的模擬分析對(duì)象,如圖10所示。

圖10 支撐胎架卸載有限元模型Fig.10 Finite element model of unloading forsupport bed-jig

4.2.2千斤頂單元法

采用千斤頂單元法模擬支撐胎架卸載[10]。在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和支撐胎架間設(shè)置只受壓?jiǎn)卧M支撐胎架頂部千斤頂,將該單元軸向剛度設(shè)為無(wú)窮大,采用施加溫度荷載方法控制千斤頂單元豎向變形,從而模擬支撐胎架卸載直至脫離網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的情況。

4.2.3卸載方案

1)方案1(等比例卸載) 每階段支撐胎架卸載20%位移量,分為5個(gè)階段,即每個(gè)階段各支撐胎架卸載的豎向位移均為理想狀態(tài)下卸載總量的20%[11]。

2)方案2(等位移卸載) 每階段支撐胎架卸載3mm,分為5個(gè)階段,即每階段所有支撐胎架豎向位移為-3mm。

3)方案3(逐個(gè)卸載) 每個(gè)步驟卸載1個(gè)支撐胎架,分為16個(gè)步驟,順序如圖11所示。

圖11 支撐胎架卸載順序Fig.11 Unloading sequence of support bed-jig

卸載方案分析結(jié)果對(duì)比如表4,5所示。由表4,5可知,對(duì)于等位移卸載和等比例卸載方案,最大豎向變形逐步增大,最大應(yīng)力整體呈下降趨勢(shì),且相鄰工況間的最大應(yīng)力和最大豎向變形相差不大,差值較為均勻。對(duì)于逐個(gè)卸載方案,最大豎向變形在最后2種工況中陡增,最大應(yīng)力整體呈先增大再減小趨勢(shì),且相鄰工況間的應(yīng)力相差較大。從施工效率和安全性角度考慮,等位移卸載方案合理,本項(xiàng)目采用該方案進(jìn)行卸載。

表4 等位移卸載和等比例卸載分析結(jié)果Table 4 Analysis results of equal displacement unloading and equal proportion unloading

表5 逐個(gè)卸載分析結(jié)果Table 5 Analysis results of unloading one by one

4.3 溫度效應(yīng)

新塘站工程施工時(shí)間跨度較大,宜考慮溫度變化對(duì)施工階段的影響。根據(jù)施工時(shí)期的氣溫,按溫度變化的極端情況施加溫度荷載模擬溫度變化[12]。

表6 溫度效應(yīng)分析結(jié)果Table 6 Analysis results of temperature effect

4.4 精度控制

1)焊接 為確保焊接精度,從中部向兩端進(jìn)行焊接。焊接順序?yàn)椋合孪覘U→上弦桿→下弦腹桿→上、 下弦間腹桿。焊接每進(jìn)行一個(gè)階段便測(cè)量桁架撓度和側(cè)向變形,以確保焊接精度。

2)網(wǎng)架拼裝 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼裝定位測(cè)量精度會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性。根據(jù)胎架底座位置和胎架尺寸,采用全站儀定位每個(gè)胎架位置,并用水準(zhǔn)儀對(duì)胎架標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整,確保胎架標(biāo)高保持一致,保證拼裝精度。

3)網(wǎng)架吊裝 按照4點(diǎn)吊裝方式進(jìn)行吊裝,每個(gè)吊點(diǎn)使用鋼絲繩加手拉葫蘆,利用手拉葫蘆進(jìn)行調(diào)整,使其到達(dá)預(yù)定位置。待與既有構(gòu)件焊接完成,確保連接可靠后,再完全卸除吊繩。

5 結(jié)語(yǔ)

1)曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用分塊吊裝法,采用整體從東向西、局部從西向東的吊裝施工順序,包括支撐胎架安裝和卸載,完成結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)變。

2)曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程中,桿件最大應(yīng)力為69.49MPa,最大變形為21.12mm,滿足現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范要求。

3)支撐胎架卸載過(guò)程中,等位移卸載和等比例卸載時(shí)結(jié)構(gòu)豎向變形和應(yīng)力變化較平緩,逐個(gè)卸載時(shí)結(jié)構(gòu)豎向變形和應(yīng)力變化較跳躍,不宜采用逐個(gè)卸載方案。

4)考慮溫度作用時(shí),施工過(guò)程中晝夜溫差引起的應(yīng)力變化達(dá)66MPa,豎向位移變化達(dá)11mm。在施工過(guò)程中宜考慮溫度變化的影響。