詹乐斌1 贾海涛2 王正云2 黄永春2 徐士杰2 冯 锋3 徐联民3
（1．浙江绿城建筑设计有限公司，杭州310007；2．青岛绿城建筑设计有限公司，山东青岛266000； 3．中建钢构有限公司，重庆400045）
摘 要：钢桁架结构形式多样、应用也越来越广泛。虽然大跨复杂钢桁架的施工方法很多，但是具体到特定的工程，选择最适用的方法尤其重要，这不仅涉及到经济因素还关系到工程能否安全有序的进行，适当的施工方法无疑能够带来事半功倍的效果。通过对重庆T3A新建航站楼钢桁架的多种施工方法进行利弊分析，最后采用高空滑移的方法，并对高空滑移过程中的同步控制、计算方法、温度影响进行研究，确定滑移过程中的危险区范围，提前形成有效的防范机制，保证了施工过程的安全性。
关键词：钢桁架；结构分析；控制；计算 D01:10.13206/j.gjg201606019
1 概 述
依托重庆江北机场T3A新建航站楼项目，建立了复杂钢桁架的实际力学模型，对已有的理论方法加以应用和验证，并对一些计算过程进行改进和细化，除考虑单一滑移过程中网架的应力和应变，还协同考虑周边网架吊装过程对其影响。
1.1 模拟分析方法
随着计算机技术的发展和有限元软件的普及应用，使得大跨度复杂钢结构的施工过程模拟分析成为可能。钢结构在施工阶段的受力情况不能简单地等同于使用阶段，利用有限元软件进行施工过程的分析是将结构按照施工过程划分为不同的阶段，按照施工的先后顺序激活各个施工步骤的边界条件、荷载以及施工步的结构，这样就可以综合考虑施工各步骤之间的累积效应及相互关系，一般的有限元建模可以根据方法的不同分为分步建模法和一次性建模法。
根据施工步骤的不同对结构分步建模就是分步建模法，在整体刚度矩阵中出现的都是已安装的结构单元，这样能够实现施工过程中构件安装变形的精确控制，但是这种建模办法仅考虑当前已经建立模型的内力及变形，所以使用分步建模法模拟结构在施工过程的受力并不是完全真实的，而且分步建模法的分析过程通常需要边建模边求解并且把有限元软件的前处理、后处理和求解三大模块统一起来编制新的有限元程序，实现算法比较困难。在重庆T3A航站楼中，混凝土只用在楼面板和基础部分，主要的结构部分为钢结构，所以分析时可以不考虑材料的时变性，这样可以简化分析，故一次建模法为最佳选择。
1.2一次性建模法
一次性建模法和“生死单元法”类似，就是一次性将结构模型在软件中全部建立，按照实际的施工步骤把结构的杆件、荷载工况以及边界条件相应地划分为不同的施工步，计算时只考虑该施工步骤之前的内力和变形情况，把该施工步骤之后的杆件结构进行冻结处理，这样每个结构下一阶段的内力和变形会随上一施工阶段进行调整变化。实际上，一次性建模法就是按照事先设定的施工步骤将正在安装的杆件激活，而将还没有进行安装的杆件进行钝化，达到用有限元软件模拟真实施工的目的。基本分析的流程可以用图1表示。
综上，采用一次性建模法模拟施工流程时，不需要考虑人为的假设，可以直接建立整个结构的计算模型，通过建立的模型准确模拟构件的实际施工步骤、连接形式、载荷形式、尺寸、空间位置和材料特性等，由此可以得到准确可靠、更加详尽的分析结果，所以一次性建模法是最适合本工程的方法。
2 工程实例
2.1 工程概况
重庆江北国际机场新建T3A航站楼位于重庆市东北方向的渝北区，新建T3A航站楼建筑平面呈“X”形（图2），可分为E区中央大厅及A、B、C、D指廊共5个部分，其中E区中央大厅位于“X”形中部，中央大厅平面尺寸为279 m×393 m（最窄处）一401 mx456 m（最宽处），平面呈蝶形。天窗区域区屋盖采用正交正放四‘角锥雨架结构，中心区域网架采用分块滑移的方式进行安装：在航站楼东、西两侧室外地面设置拼装场地，安装固定式塔吊，在4层、5层混凝土楼面上共设置9道滑移轨道，安装固定脚手架及滑移胎架。安装时，将中拼单元吊装到滑移胎架上总拼成滑移单元，由滑移胎架将滑移单元滑移至安装区域，补装相邻单元杆件。滑移胎架卸载后滑回原位，重复上一步骤，从主楼东侧向西侧依次完成安装。
中间区域采用楼面小拼、高空原位安装的方法进行施工，为表述方便，将主航站楼中心区域划分成10个单元。东侧5块HY-E1-HY-E5单元，西侧5块HY-W1-HY-W5单元。其中最大单元为HY-W4、HY-E4，面积约为7 360.7 m2，重量约为3 902 k N。航站楼主楼总的滑移单元面积约为6. 92万m2，总重量约为36 676 k N。周边吊装区域内共分为140块吊装单元，总重约31 323 k N，其中最大的一块为S3单元，面积约736 m2，重约390 k N。
2.2施工全过程有限元模拟分析模型及方法
2. 2.1 有限元模拟
1)E区屋盖网架施工安装全过程模拟计算采用大型通用有限元软件ANSYS 14.5，由于E区西南角有部分区域受地铁施工的影响，在模拟过程中暂时不予考虑，选用模拟单元见表1。
2) ANSYS计算模型为杆系模型，未考虑焊接球节点，其自重65 145 k N，根据施工图纸，网架杆件重量加球节点重量为78 942 k N，因而，计算时将模型自重放大1. 212倍。
3)在纯杆系模型、不考虑焊接球节点质量的相同条件下，MSTCAD设计分析模型与ANSYS模型前5阶自振频率对比见表2，第1阶振型图见图3，可见吻合一致，验证了ANSYS模型的合理性。
4)采用ANSYS“单元生死”功能模拟施工过程：首先“杀死”全部单元，然后按照安装顺序和临时胎架支撑设置，依次激活每一施工步的相应单元、调整支撑约束，从而考虑安装全过程中结构内力和变形的累积效应，实现施工全过程跟踪模拟。
网架支撑点只约束Z向位移，其他方向(X、y向)自由。计算建模时，网架支撑点下设置一根刚性杆，此刚性杆只能承受压力而不能承受拉力。刚性杆上端与结构支撑点在Z向位移相同，下端被约束，上、下端X、y向自由度均耦合住。在落架时，对刚性杆底部释放规定位移来模拟落架全过程。
5)计算中考虑几何非线性的影响，使用国际单位制。
6)杆件应力比验算考虑了压杆稳定系数。
7)施工过程结构承载力验算荷载组合：1. 35G；1. 2G +1. 1Q（G为结构自重；Q为温度作用）。
8)施工过程结构分析变形验算荷载组合：1. 0G+1. 0Q。
2.2.2温度计算
重庆市全年日均气温如图4所示。
设计要求钢结构闭合温度为15~25℃。按照施工进度计划：
1)单元W4、W5及相应北侧分块网架安装，基本在9月份完成，同时参考GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》9.3条文说明，按平屋面、浅亮，考虑露天日照作用的温度增加6℃，温度作用标准值取升温19℃；
2)单元W2、W3及相应S、N两侧网架安装，基本在10月份完成，温度作用标准值取升温15 ℃；
3)单元W1、E1及相应S、N两侧网架安装，基本在11月份完成，温度作用标准值取升温8℃；
4)单元E2、E3及相应S、N两侧网架安装，基本在12月份完成，温度作用标准值取降温- 17℃；
5)单元E4、E5及相应S、N两侧网架安装，基本在1月份完成，温度作用标准值取降温-19℃；
6)单元W、E外围网架安装及施工预留区及相应S、N两侧网架安装，基本在2月份完成，温度作用标准值取降温-18℃。
2.3 施工全过程模拟分析及杆件替换
根据施工方案流程，建立网架施工过程分析模型，按照原设计结构安装施工模拟计算，局部杆件应力比超过1.0，优化控制应力比0.9，最终需替换671根杆件、约占杆件总数的1.9%（总杆件数为35 620根），用钢量增加约28.7 t，其位置分布见图5。
替换671根杆件后，在自重及温度荷载作用下各主要施工步对应的内容和结构受力状态（杆件应力比和支撑反力对应荷载组合1. 2G +1. 1Q，竖向变形对应荷载组合1. 0G+1.0Q）如图6-图10所示，最终施工状态结构应力统计见图11，结构整体应力水平较低。
E区的整体滑移施工共划分为56个步骤，每一个单元的施工步骤个数不尽相同，在自重荷载及温度作用下对56个施工步骤进行计算，选取几个具有代表性的单元W5、W1、E1、E2以及施工预留区补装的计算结果进行分析。
1) W5的安装施工共分为2个步骤：步骤1，W5滑移就位安装完成；步骤2，W5滑移胎架撤出、结构与钢柱连接，W5周边临时支撑。经模拟计算，此过程中竖向位移和杆件的应力比都发生在步骤1中，步骤1的计算结果见图6，其中杆件的最大应力比为0. 80。
2) W1的安装施工共分为5个步骤：步骤15，W1滑移就位，周边单元N-1、N-3、S-1、S-3、S-7吊装落于临时支撑胎架；步骤16，W2、W1之间杆件补装架；步骤17，拆除部分W1、W2分块临时支撑；步骤18，W1滑移胎架撤出、结构与钢柱连接；步骤19，拆除W2东侧支撑，部分W2、W1分块临时支撑。在这5个施工步骤中，结构的竖向位移和杆件的应力比都是相同的，最大应力比为0. 82，步骤19的计算结果如图7所示。
3) E1的安装施工共分为5个步骤：步骤20，E1滑移就位，周边单元N-2、S-2、S-4吊装落于临时支撑胎架；步骤21，W1、E1之间杆件补装；步骤22，拆除部分W1、E1分块临时支撑；步骤23，E1滑移胎架撤出、结构与钢柱连接；步骤24，拆除部分E1分块临时支撑；在这5个施工步骤中，结构的竖向位移和杆件的应力比最大的是施工步骤24，最大应力比为0. 85。其竖向位移见图8。
4) E2的安装施工共分为4个步骤：步骤25，E2滑移就位，周边单元N-4、N-6、S-6、S-8吊装落于临时支撑胎架；步骤26，E1、E2之间杆件补装；步骤27，E2滑移胎架撤出、结构与钢柱连接，E2东侧临时支撑；步骤28，拆除部分E1、E2分块临时支撑。在这4个施工步骤中，结构的竖向位移和杆件的应力比最大的是施工步骤28，最大应力比为0. 84。其竖向位移见图9。
5)最后施工预留区域的补装分为4个步骤：步骤53，施工预留区域散拼；步骤54，W2和W3拼接、E2和E3拼接；步骤55，拆除W2和W3、E2和E3拼接处临时支撑；步骤56，拆除施工预留区域周边临时支撑，网架安装结束。在这4个施工步骤中，结构的竖向位移和杆件的应力最大的都为步骤53，其竖向位移见图10。最终施工状态结构的应力比见图1 1。
3 结束语
通过对以上56个施工步骤钢桁架结构的计算以及分析可以得到如下结论：
1)随着滑移步骤的进行，整个桁架的Z向变形的危险区是在变化的，就整体而言，南侧比北侧更为安全一些，在滑移步骤进行过程中整个网架的中部要比东、西两侧更为安全，危险区域集中在北侧的W2和W3、E3和E4的交界处，可以根据分析结果提前采取有效的控制防范措施。
2) W1和E1的温度作用标准都取升温8℃，滑移步骤完成之后两者的Z向位移形差值仅为0. 007 4 m，随后施行滑移的是E2单元，滑移时取降温17℃，E2和El的位移差值提高为0.028 1 m，说明温度作用效应明显。
3)随着滑移步骤的进行，有出现杆件的应力比减小的情况，例．如自E1单元滑移完成到E2滑移完成，说明钢桁架补装完成形成整体之后，对杆件的受力是有利的。有的步骤完成之后出现应力比增大现象，是由于新装单元部分杆件应力比都大于原有杆件应力比的原因。
4)按照屋盖网架安装方案，原设计结构需替换671根杆件、约为杆件总数的1. 9%（总杆件数为35 620根，用钢量增加约28.7 t，替换后结构施工全过程模拟分析表明结构安全、变形满足GB 50017-2003《钢结构设计规范》要求(挠度小于跨度的1/250)，施工方案可行、合理，可供其他类似工程参考。
下一篇:返回列表
