劉鳳成

摘 要：2016年，我公司承建了A330寬體飛機(jī)天津總裝線工程，對(duì)其大跨度鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較大創(chuàng)新，要求施工單位具有結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形分析的能力。傳統(tǒng)粗放型的見圖施工的方式已經(jīng)在本工程中無法實(shí)行，我們通過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算分析，精確控制鋼結(jié)構(gòu)施工每一步中的應(yīng)力與變形，高質(zhì)量完成了鋼結(jié)構(gòu)工程的施工，滿足了設(shè)計(jì)方對(duì)于內(nèi)力調(diào)整的施工要求。下面以A330工程中的100號(hào)完成中心為例進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)施工；技術(shù)創(chuàng)新；寬體飛機(jī)；桁架組對(duì)

中圖分類號(hào)：F416.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.100

1 工程概況

完成中心位于A330廠區(qū)內(nèi)，由客艙裝飾機(jī)庫(kù)、工作組機(jī)庫(kù)形成三連跨鋼排架結(jié)構(gòu)，跨度222 m，進(jìn)深84 m。

工作組機(jī)庫(kù)跨度78 m，客艙裝飾機(jī)庫(kù)1&2跨度均為72 m，結(jié)構(gòu)最高處標(biāo)高+28.000，屋架下弦標(biāo)高+21.000 m。屋架下弦為直線，上弦為弧線形，下弦標(biāo)高+21.000 m，上弦標(biāo)高+23.000～+28.000 m，端部矢高2 m，跨中矢高7 m，與鋼柱連接為剛性連接。

2 大跨度屋架剛度較弱時(shí)的施工方案

本工程設(shè)計(jì)方通過優(yōu)化及創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)的自重大大降低，例如72 m跨度的鋼屋架僅重約31 t，單榀屋架的剛度很弱。對(duì)于施工方來說，傳統(tǒng)的單榀吊裝將會(huì)遇到屋架是否會(huì)失穩(wěn)的問題，這一問題必須通過嚴(yán)格的內(nèi)力計(jì)算和吊點(diǎn)設(shè)計(jì)才能解決。

2.1 方案制訂流程

方案制訂流程為：①采用MIDAS/GEN分析軟件或其他結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行吊點(diǎn)設(shè)計(jì)。通過吊點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)，使得屋架上弦受壓盡量較?。ɡ硐肭闆r為原設(shè)計(jì)承載力的1/10），同時(shí)下弦兩端受壓，而中部大部分桿件受拉。②獲得鋼屋架吊裝內(nèi)力軸力數(shù)值。③進(jìn)行桁架上下弦桿的穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算時(shí)，截面取最小截面，上弦計(jì)算考慮為多跨等長(zhǎng)（本工程為三跨），采用實(shí)際最大長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)跨長(zhǎng)度。④應(yīng)力比的控制。我公司為0.6（考慮現(xiàn)場(chǎng)各種不利影響），當(dāng)天氣很好時(shí)，可以采用0.8的作為控制值。⑤如果發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定問題，應(yīng)考慮重新布置吊點(diǎn)調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并重復(fù)步驟1～4.

2.2 屋架吊裝上下弦穩(wěn)定分析

2.2.1 屋架上弦的吊裝穩(wěn)定分析

完成中心72 m跨鋼屋架為雙機(jī)抬吊裝施工。鋼屋架的吊裝主要是面外穩(wěn)定問題。

在鋼屋架吊裝中，由于沒有任何上下弦桿支撐的作用，所以上下弦桿、腹桿互相之間對(duì)側(cè)向抗彎剛度的影響比較弱，從安全考慮一般不計(jì)這種影響，僅作為安全儲(chǔ)備。

實(shí)際上，鋼屋架在吊裝過程中是存在一個(gè)確定的面外支撐作用的，這就是吊裝使用的鋼絲繩。當(dāng)鋼絲繩橫向擺動(dòng)離開原位置，與原位置距離為d時(shí)，必然產(chǎn)生一水平的恢復(fù)力F。

鋼絲繩對(duì)鋼屋架的面外支撐力與水平擺動(dòng)距離d成正比，

可將這一作用考慮為剛度為k的彈簧， . 在得到剛度k后

可以根據(jù)所得內(nèi)力及穩(wěn)定原理進(jìn)行吊裝時(shí)的穩(wěn)定分析。內(nèi)力采用MIDAS/GEN有限元結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)上述72 m跨鋼絲繩受力分析可知鋼絲繩內(nèi)力約為100 kN，鋼絲繩繩長(zhǎng)17 m，則當(dāng)鋼絲繩面外橫向擺動(dòng)時(shí)，k=5.9 kN/m。上弦桿取最小截面為H400×400×10×18，最大間距l(xiāng)=24 m，根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，當(dāng)彈簧剛度足夠大時(shí)，桿件軸壓承載力為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式（1）中得 .

實(shí)際彈簧剛度為 .

N為實(shí)際最大承載力。

根據(jù)上文內(nèi)力分析可知，上弦最大壓力為53 kN，考慮彎矩等不利影響，乘以1.2的系數(shù)為64 kN，應(yīng)力為0.46<0.6，滿足吊裝安全要求。

2.2.2 鋼屋架下弦桿吊裝穩(wěn)定驗(yàn)算

大跨度鋼屋架下弦桿由于不存在任何側(cè)向支撐，所以應(yīng)在吊點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)控制下弦桿內(nèi)力盡量為拉桿。由于施工中很少將屋架端部設(shè)為吊點(diǎn)，所以在兩端會(huì)存在一定的壓力，這種兩端受壓中間受拉的屋架下弦桿件可以進(jìn)行穩(wěn)定分析。

同樣以A330工程72 m鋼屋架吊裝為例，受壓端長(zhǎng)度為9 m，壓力取大值為19.9 kN，中間受拉長(zhǎng)度48 m，拉力平均值為19.4 kN。

對(duì)下弦平面完全不設(shè)支撐的三段式（壓拉壓）軸心受力桿件的進(jìn)行驗(yàn)算：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（2）中得 .

計(jì)算長(zhǎng)度μl=38 m，按照鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論可知，當(dāng)下弦承受軸心壓力面外失穩(wěn)時(shí)，最大受壓承載力為121 kN（根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算），下弦吊裝中最大壓力為19.9 kN，考慮彎矩影響乘以1.2，則應(yīng)力比為0.2<0.6，滿足要求。

3 預(yù)變形技術(shù)

安裝本工程的排架時(shí)，要求采用下弦與鋼柱連接節(jié)點(diǎn)連接分離的兩階段安裝方式調(diào)整內(nèi)力分布。

第一階段：排架上弦與柱鉸接，下弦不連接。

第二階段：排架在自重下完成變形，剛接上下弦與鋼柱的連接節(jié)點(diǎn)。

這是設(shè)計(jì)方施工的要求，目的是將排架端部負(fù)彎矩向跨中轉(zhuǎn)移，降低端部桿件軸力，避免截面突變的問題。

3.1 施工難點(diǎn)

對(duì)于桁架，一般的施工方法是在安裝時(shí)將上弦、下弦、腹桿與鋼柱的連接節(jié)點(diǎn)全部連接，然后讓桁架在自重荷載下進(jìn)行內(nèi)力分布。這樣可以通過吊點(diǎn)、鉤頭的不同位置對(duì)桁架安裝內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整，從而保證桁架與鋼柱連接段的各個(gè)桿件變形非常微小，從而保證了藍(lán)圖、制作、安裝的尺寸一一對(duì)應(yīng)。

而在兩階段安裝方法中，下弦節(jié)點(diǎn)的安裝是在桁架自重下內(nèi)力重分布之后，所以桁架必然產(chǎn)生變形，而對(duì)于大跨度桁架，這種變形會(huì)更大，往往造成按照藍(lán)圖制作的連接節(jié)點(diǎn)無法安裝。所以桁架藍(lán)圖、制作、安裝的尺寸不是一一對(duì)應(yīng)的，必須通過科學(xué)的變形分析，將這三個(gè)尺寸統(tǒng)一起來。

3.2 解決措施

為了將三個(gè)尺寸統(tǒng)一起來，必須對(duì)屋架預(yù)變形，步驟為：①分析桁架在不連接下弦的情況下的變形數(shù)值，以藍(lán)圖尺寸為準(zhǔn)，計(jì)算桁架在端頭需進(jìn)行的預(yù)變形數(shù)值；②對(duì)比桁架起拱值，將兩種變形值進(jìn)行對(duì)比、包絡(luò)，形成最終桁架預(yù)變形圖；③桁架采用整體偶配組對(duì)的方式進(jìn)行工廠、現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)拼裝，從而將圖紙、制作、安裝的桁架尺寸統(tǒng)一起來。

3.3 桁架預(yù)變形分析

桁架變形分析采用的理論是由虛功原理發(fā)展而來的圖乘法，具體內(nèi)容不再詳述。由于此方法對(duì)于大跨度桁架來說手算量過大，所以采用同樣原理的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件midas/gen進(jìn)行變形分析。

建模分析結(jié)果為：與下弦節(jié)點(diǎn)相連的桿件兩端下?lián)戏謩e為-6.6 mm、-12.8 m。

從上得知，只要第二根桿件兩端起拱為6.6 mm和12.8 mm就可以解決問題。根據(jù)這兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)值推算整體起拱線。這里由于端部在第二階段安裝，所以未安裝部分的起拱均為0.

本工程要求的設(shè)計(jì)中間起拱為100 mm，推算的中間起拱為75 mm，不符合設(shè)計(jì)要求。

我們需要補(bǔ)償25 mm的起拱值，但不是所有節(jié)點(diǎn)都補(bǔ)償，方法為中間點(diǎn)起25 mm，然后拉線直到端點(diǎn)，得到每個(gè)點(diǎn)的附加起拱值（全屋架起拱，包括未安裝段），然后與預(yù)變形起拱值相加，得到最終起拱值。第一點(diǎn)的起拱值為6.6+2=8.6 mm，以此類推第二個(gè)節(jié)點(diǎn)起拱為12.8+4=16.8 mm，中間起拱為75+25=100 mm，滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)保證端部準(zhǔn)確連接。

3.4 桁架組對(duì)方法

對(duì)于桁架的組對(duì)，我們采用bim技術(shù)進(jìn)行模擬，在組隊(duì)前預(yù)控了定位點(diǎn)的位置和組對(duì)順序，大大提高了效率。

桁架組對(duì)方法為：①在組對(duì)平臺(tái)上確定測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，將屋架進(jìn)行1∶1放樣（包括起拱）出所有屋架弦、腹桿節(jié)點(diǎn)的位置。②將鋼柱柱頭放入組對(duì)平臺(tái)的準(zhǔn)確位置。③將弦桿分段裝入胎具，由柱端向中間依次定位各段屋架上下弦桿，進(jìn)行屋架整體起拱、找形，定位完成后點(diǎn)焊弦桿對(duì)接焊縫。這里下弦柱牛腿不裝入拼裝胎具。④將腹桿裝入屋架，腹桿的定位點(diǎn)與放樣定位點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，然后以實(shí)際情況對(duì)腹桿端頭尺寸進(jìn)行調(diào)整，最后點(diǎn)焊與弦桿的焊縫固定腹桿，完成腹桿拼裝。⑤拼裝屋架與鋼柱上弦節(jié)點(diǎn)，將鋼柱與屋架連接，根據(jù)實(shí)際尺寸制作鋼柱、上弦桿連接板和錨栓孔，并插入安裝螺栓定位。檢驗(yàn)合格后進(jìn)行成品焊接。⑥焊接完成后對(duì)屋架尺寸進(jìn)行復(fù)測(cè)，如果不合格，則要進(jìn)行調(diào)整。合格后，實(shí)測(cè)下弦節(jié)點(diǎn)區(qū)間的長(zhǎng)度，然后根據(jù)相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)制作下弦節(jié)點(diǎn)。⑦屋架制作完成后，在屋架運(yùn)輸分段線兩側(cè)各250 mm的位置標(biāo)出定位點(diǎn)，采用全站儀測(cè)量各個(gè)定位點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)發(fā)至施工現(xiàn)場(chǎng)用于現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)，從而將工廠制作尺寸與現(xiàn)場(chǎng)拼裝尺寸一一對(duì)應(yīng)起來。

4 結(jié)束語

通過A330寬體飛機(jī)天津總裝線鋼結(jié)構(gòu)工程的施工，我們可以看出，建筑行業(yè)正由粗放型施工向精細(xì)化施工轉(zhuǎn)型，沒有技術(shù)能力的企業(yè)將無法完成類似工程的施工。在目前行業(yè)轉(zhuǎn)型的大潮下，有限元分析、bim技術(shù)、建筑產(chǎn)業(yè)化等無一不對(duì)建筑企業(yè)的技術(shù)能力提出高要求，我們只有腳踏實(shí)地地鉆研技術(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為真正的生產(chǎn)力，才能在未來的建筑市場(chǎng)中占有一席之地。

〔編輯：王霞〕