大跨度平板網架結構高空散裝施工模擬與監測分析

彭 劍,蒙宇紅

(廣西建工第一建筑工程集團有限公司,南寧 530022)

1 工程概況

佛岡體育館長64.0 m,寬62.6 m,總建筑面積1.04萬m2,屬于佛岡縣重點建設工程。項目位于佛岡縣龍鳳大道,主建筑地上3層,為大跨度平板雙向鋼網架結構。體育館屋面網架最大設計高度18.405 m,主要由下弦桿、上弦桿、腹桿、抗震球形支座、螺栓球組成,圓形桿件采用Q345B鋼,設計數量為4 679根,單根桿件最大質量為0.185 t,球節點連接構件1 221個,起吊拼裝單元質量均小于0.8 t。網架的主體支撐結構為混凝土支柱,共有35個固定抗震球形支座和1個滑動抗震球形支座整體支撐在柱頂部?？紤]到該項目屋面網架面積較大,運輸及吊裝困難,因此對該平板網架的施工采用高空散裝施工方法。高空散裝法直接將小拼單元或散件在設計位置上進行拼裝,分為全支架法和懸挑法。其中全支架法又稱為滿堂腳手架法,該方法在網架施工的技術、安全以及成本方面具有明顯優勢,是鋼網架結構中應用最多的施工方法之一。

2 高空散裝模擬分析

2.1 建立網架模型

采用滿堂腳手架法進行網架的安裝施工,其自身重量均由腳手架支撐,在網架未完全合龍前,網架結構的撓度變形和桿件內力均隨施工過程而變,極易出現節點變形、支架沉降等現象,從而導致網架構件的應力超過屈服極限發生局部失穩[3]。該研究利用Midas/Gen有限元軟件,模擬分析佛岡體育館屋面網架的施工過程,首先建立屋面網架三維模型,其中桿件選用Q345鋼,材料屈服強度f=345 MPa,彈性模量E=206 GPa,泊松比v=0.3,混凝土強度等級為C30。根據《建筑結構荷載規范(GB 50009—2012)》及設計資料,網架模型采用球鉸支座,節點設定為鉸接,所有荷載作用均折算成集中力施加于上弦節點。其中網架恒荷載取0.3 kN/m,屋面活荷載取0.5 kN/m,結構自重由程序自動計算。

2.2 安裝順序及模擬結果

由于網架安裝過程的撓度變形較大,提出以下方案來減小網架結構的變形:1)采用合理的網架拼裝順序;2)同步監測網架各階段安裝過程,并及時進行誤差糾偏?；谝陨辖鉀Q方案,采用Midas/Gen有限元軟件,按照施工步驟將結構構件、支座約束、荷載工況劃分為組,對網架施工各階段的內力和變形進行分析。通過有限元分析方法,采用單元死/活功能[4]模擬網架構件的整個安裝過程,分析過程采用累加模型的方式,每個施工階段分析時,前一階段內力和位移作為初始狀態,從而真實模擬網架施工動態過程。計算發現,第一區域的網架遵循從左至右進行,剩余區域遵循南側向北側循序漸進安裝時,整個鋼結構撓度變形影響最小。因此網架安裝順序遵循“循序安裝、左側往右側合龍、由南至北”的原則,并確保網架安裝過程各施工步的支撐點處于頂緊狀態,對應的網架安裝順序如圖1所示。

根據以上網架安裝順序原則進行施工模擬,列出各階段較不利施工步的分析結果,施工結束后網架的應力比云圖如圖2所示。

基于佛岡體育館平板網架屋蓋施工模擬分析結果,得出以下結論:1)構件最大應力比出現在第21施工步,達到0.94,其他施工步構件應力比均小于0.9。在第32施工步(網架拼裝完成)構件最大應力比為0.89,構件高空散裝各階段的應力比均未超過1。2)洞口范圍(11軸～12軸交E軸～F軸)的網架安裝時(施工步14)需有側向支撐,保證網架拼裝過程側向穩定性滿足要求。綜上網架拼裝和拆除過程構件承載力滿足要求。

3 鋼網架結構施工安裝工藝

依據網架施工模擬結果編制網架的安裝施工方案,采用高空散裝方式進行網架安裝,據此布控的塔吊均能滿足現場網架單根桿件的吊裝要求。為減少溫度應力影響,鋼結構的合龍溫度為25～33 ℃。

3.1 操作平臺搭設方案

項目屋面網架采用滿堂腳手架作為高空散裝操作平臺。滿堂腳手架平面尺寸為64 m×62.6 m,架體鋼管規格取Ф48 mm×3,材料為Q235鋼,腳手架最大搭設高度為15.6 m,搭設縱橫間距為1.2 m,步距1.5 m。腳手架頂層作為網架的操作平臺,其標高較網架下弦標高浮動20～40 mm,水平桿布置間距為300 mm,并滿鋪腳手板。對滿堂腳手架進行承載力驗算時,考慮操作平臺上人及堆放材料,施工活荷載取3 kN/m2。計算結果顯示,縱向鋼管最大應力計算值為σ=90.646 N/mm2≤[f]=205 N/mm2,最大撓度為1.588 mm≤min(1 200/150,10)=8 mm,滿足要求。橫向支撐鋼管的最大應力計算值為125.835 N/mm2≤[f]=205 N/mm2,最大撓度為2.181 mm≤min{1200/150,10}=8 mm,鋼管立桿穩定性驗算σ=177.476 N/mm2≤[f]=205 N/mm2,因此驗算結果滿足規范要求。

3.2 網架施工工序設計

在地面拼裝四角錐體和三角錐體拼裝單元,通過塔吊吊運至拼裝區域,然后采用滿堂架平臺進行散裝拼接。高空散裝施工工藝為:在已安裝且完成閉合的網架上并排安裝兩個倒三角錐單元體→連接兩個倒三角錐單元體之間的上弦桿→安裝兩個帶下弦球節點的倒三角錐單元體→向右安裝吊裝單元并與已安裝網架連成整體→相同步驟同時向左對稱安裝→循環以上步驟,形成整體。

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3.3 網架關鍵部位安裝工藝

依據數值分析方法確定網架安裝順序并進行安裝,其中桿件之間采用螺栓球節點連接,桿件與支座采用焊接球節點連接?？招那蚺c下弦桿、上弦桿、腹桿采用焊接連接,螺栓球與下弦桿、上弦桿、腹桿采用螺栓連接。

3.3.1 焊接球節點安裝

焊接球上下弦桿的焊接全部在地面上完成,以減少網架總拼過程中的焊接應力[5]。屋面網架焊接時先焊下弦,使下弦收縮而略向上拱,然后焊接腹桿及上弦,以避免由于先焊上弦造成的不易消除的人為撓度。為防止網架拼裝過程中因為網架自重或支架剛度較差而出現撓度過大的情況,項目屋面網架預先設置10 mm的預起拱,焊接球節點全部焊縫均需要進行外觀檢測,其中一級焊縫的探傷比例為100%。

3.3.2 螺栓球節點安裝

螺栓球節點拼裝施工時,先在地面拼裝成小拼單元再由塔吊吊運至安裝位置,從屋面一端開始,以一個網格為一排,逐排步進。螺栓球節點組裝工藝為:下弦節點→下弦桿→腹桿及上弦節點→上弦桿→校正→全部擰緊螺栓。對節點進行校正前,各個工序螺栓均不擰緊,以防構件內部出現應力集中現象。

4 網架結構拼裝過程監測數據分析

4.1 網架安裝撓度監測

在網架構件拼裝施工時同步進行撓度監測,監測次數和頻率為合龍后一次,卸載階段2天一次,屋面加載階段3天監測一次,驗收階段兩次,同時根據現場施工情況進行加密或延遲監測。圖3為網架安裝過程各監測點2022年7月12日至2022年8月8日以來采用磁致式靜力水準儀HT-SZY200記錄的撓度值變化曲線。

從圖3監測結果可以看出,網架各測點位移量基本反映安裝過程中產生的位置變化,在第12次監測之后,各測點的豎向位移數據變化趨于穩定。依據標準JGJ7—2010《空間網格結構技術規程》關于網架安裝撓度限值的規定,鋼網架安裝完畢后整體撓度不得超過其跨度的1/250,因此該項目屋面結構網架的撓度值為181.22 mm<允許撓度值62.6 m/250=250 mm,滿足安裝過程的規定和要求。

4.2 網架構件應力監測

根據該工程施工過程中結構內力變化大的特點,項目在平板網架安裝過程中主要在結構重要構件處、施工模擬中應力絕對值較大部位處以及施工過程中應力變化可能較大的構件上布置測點,圖4為網架安裝過程各應力測點2022年6月10日至2022年8月8日以來采用應變計SCL-YB2000監測的應力值變化曲線。

由圖4可以看出,在桿件拼裝過程中,應力及累積應力小于Q345-B鋼材的屈服強度,除個別點外應力監測變化值均小于300 MPa。隨著結構成型,所測桿件的應力均趨于收斂,說明結構變形及內力趨于穩定。

4.3 網架水平位移變形監測

為防止散裝施工引起的水平累積位移,網架結構安裝過程中必須時刻測量和控制其安裝誤差[6]。為此需對網架安裝過程中的水平位移進行同步監測,并對不滿足設計和安裝要求的部位進行糾偏。圖5為網架散裝過程各水平位移測點2022年7月27日至2022年8月8日以來采用全站儀監測的水平位移變化曲線。

從圖5可知,所抽查的圓形桿件水平向位移均未超過5 mm,水平位移偏差合格率達到100%。同時,網架結構受載穩定并且測點水平位移偏差最大值為4.6 mm,滿足《空間網格結構技術規程》的要求。通過位移、撓度以及應變三個方面的監測相互協調,保證了網架結構安裝各項參數監測結果的準確性和有效性。網架安裝監測到的構件應力及位移均在規范限值以內,表明該有限元分析方法可以較好模擬網架施工的應力及位移變化。

5 結 論

結合佛岡體育館項目屋蓋結構,通過Midas/Gen軟件進行施工模擬,分析結果對網架結構的高空散裝施工起到了指導作用,得到以下結論:

a.采用大型有限元分析軟件Midas/Gen建立了網架結構分析模型,通過施工模擬得到了應力比云圖,發現各施工步下構件的應力比均小于1,網架拼裝過程中的構件承載力滿足要求。

b.按照施工模擬結果設計的施工方案進行網架安裝時,拉索位移變形量施工監測結果均在規范允許范圍之內,說明運用“循序安裝、左側往右側合龍、由南至北”的散裝順序原則進行網架安裝過程變形控制的設計思路是可行的,可以有效控制大跨度平板網架結構的變形。

c.隨著網架安裝進度的推進,所測桿件的變形和內力逐步收斂,說明結構內力、變形控制良好,進一步證明了所提出的施工模擬方法以及高空散裝優化方案適用于跨度要求較大的平板網架工程,監測方法可為相關項目提供借鑒。