范家茂，沈萬玉，張炳順

(1.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 巢湖 238000；2.安徽富煌建筑設(shè)計(jì)研究有限公司，合肥 230088)

大懸挑管桁架空間結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析及研究
——以銅陵體育館為例

范家茂1，沈萬玉2，張炳順2

(1.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 巢湖 238000；2.安徽富煌建筑設(shè)計(jì)研究有限公司，合肥 230088)

針對銅陵體育館大懸挑三角形管桁架空間結(jié)構(gòu)體系，采用有限元分析軟件Midas Gen對大懸挑管桁架空間結(jié)構(gòu)一次成型與分步成型兩種情況下施工全過程進(jìn)行仿真分析，得出結(jié)構(gòu)位移的變化規(guī)律，提出通過設(shè)置安裝構(gòu)件變形預(yù)調(diào)值來達(dá)到控制施工位移的解決方案。采用設(shè)計(jì)軟件3D3S11進(jìn)行溫度計(jì)算，分析了溫度變化對結(jié)構(gòu)變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響程度，為工程施工時選擇合適的合攏時間提出理論依據(jù)。研究結(jié)果對于類似大懸挑管桁架空間結(jié)構(gòu)施工具有借鑒作用。

大懸挑管桁架；空間結(jié)構(gòu)；施工過程；模擬分析

0 前 言

近年來，新型建筑材料和施工新技術(shù)在我國建筑工程中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是空間結(jié)構(gòu)具有跨度大、施工復(fù)雜、技術(shù)含量高等特點(diǎn)。由于常規(guī)設(shè)計(jì)通常不考慮結(jié)構(gòu)的施工荷載以及結(jié)構(gòu)在成型過程中位移與應(yīng)力的變化，這必將影響結(jié)構(gòu)最終成型狀態(tài)，甚至有可能危及結(jié)構(gòu)施工安全。據(jù)調(diào)查在我國工程結(jié)構(gòu)倒塌事故中，有50%以上是發(fā)生在施工期間，主要原因之一是沒有考慮結(jié)構(gòu)在施工過程中位移與應(yīng)力的動態(tài)變化。因此研究大懸挑管桁架空間結(jié)構(gòu)施工過程中的應(yīng)力與位移的變化規(guī)律，對編制可行的施工方案具有重要的理論意義和實(shí)用價值。

我國部分學(xué)者針對這種結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了一系列研究，對大懸挑管桁架空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工階段結(jié)構(gòu)受力分析也做出了一些有效的探索，并取得相當(dāng)好的研究成果。

張曉燕和郭彥林等通過對深圳會展中心鋼結(jié)構(gòu)屋蓋起拱方案及施工技術(shù)的研究分析，采用多重子結(jié)構(gòu)矩陣位移法分析了不同施工因素對結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明施工過程對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響不容忽視。[1]劉學(xué)武和郭彥林采用幾何非線性鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析方法，對國家大劇院鋼殼體施工支撐體系的結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計(jì)和卸載技術(shù)路線進(jìn)行了研究。[2]陳東和丁克偉研究考慮施工時變性的情況下，對懸挑結(jié)構(gòu)與支撐體系的共同工作機(jī)理進(jìn)行研究，找出隨著結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)展，支撐體系與結(jié)構(gòu)之間力的分配規(guī)律、結(jié)構(gòu)自身以及支撐體系各桿件之間力的分配和傳遞規(guī)律、進(jìn)而建立可行的考慮結(jié)構(gòu)參與工作的支撐體系的時變數(shù)值計(jì)算模型。[3]黃益平和黃卉等通過對工程實(shí)例進(jìn)行研究，詳細(xì)介紹了六萬人標(biāo)準(zhǔn)體育場管桁架結(jié)構(gòu)鋼罩棚安裝過程中大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全高效安裝、現(xiàn)場異型鋼結(jié)構(gòu)精確拼裝、科學(xué)設(shè)置支撐、局部與整體分級平穩(wěn)卸載以及配套基礎(chǔ)施工資源的解決，達(dá)到綠色節(jié)能高效的目的。[4]

1 工程背景及模型介紹

1.1 工程背景

圖1 銅陵體育館建筑效果圖

銅陵體育館位于銅陵市新區(qū)，整體建筑分為混凝土看臺和外圍大懸挑環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)罩棚，體育場共有31 500個座位，整體建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼量約為8 200噸，建筑效果如圖1所示。

體育館鋼結(jié)構(gòu)包括外圍大懸挑環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)罩棚以及下部附屬功能平臺鋼結(jié)構(gòu)。其中鋼結(jié)構(gòu)罩棚采用空間管桁架結(jié)構(gòu)體系，主受力構(gòu)件為48榀落地大懸挑三角形鋼管桁架，通過內(nèi)環(huán)封口桁架及支撐系統(tǒng)組成空間穩(wěn)定受力體系。落地鋼管桁架在豎向段為兩片平面桁架交叉形式，兩片落地桁架間距達(dá)22m，落地桁架管桁架立柱采用Φ550×20鋼管內(nèi)灌混凝土形式。上部水平段為三角形懸挑桁架形式，懸挑跨度最大達(dá)39.7m，上下弦桿采用Φ(550～402)×16mm變截面，腹桿截面為Φ402×16mm，內(nèi)環(huán)封口桁架弦桿采用Φ351×10mm等，管桁架平面布置如圖2所示，單榀主受力管桁架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 管桁架平面布置圖圖3單榀主受力管桁架結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際施工時，考慮構(gòu)件運(yùn)輸及現(xiàn)場起吊能力，將單榀大懸挑三角形管桁架分成四個吊裝單元進(jìn)行原位吊裝，最大吊裝單元長度為32m，重量為68噸。每個吊裝單元采用散件運(yùn)至現(xiàn)場，現(xiàn)場拼裝為吊裝單元后再進(jìn)行吊裝的施工方案。[5]

根據(jù)大懸挑三角形鋼管桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分段吊裝方案設(shè)計(jì)，每榀鋼管桁架結(jié)構(gòu)布置三個臨時支撐點(diǎn)和一個永久支撐點(diǎn)，永久支撐點(diǎn)布置在D-E 軸體育場混凝土屋蓋頂部，支撐在懸挑桁架跨中拼接點(diǎn)作為桁架拼接平臺，第一個臨時支撐架布置在大懸挑桁架的懸挑端部，作為桁架懸挑端的臨時支撐點(diǎn)，其余兩個支撐架作為人字形立柱的臨時支撐點(diǎn)，整個體育場罩棚鋼結(jié)構(gòu)共設(shè)置192個支撐點(diǎn)，桁架端部48個塔架臨時支撐點(diǎn)，臨時支撐布置如圖4-6所示。

圖4 臨時支撐平面布置圖

圖5 懸挑段支撐架布置立面圖

圖6 鋼架人字柱支撐架布置立面圖

1.2 施工過程仿真模擬計(jì)算模型

1.2.1 計(jì)算參數(shù)

鋼材彈性模量取值為206 Gpa，鋼材泊松比取值為0.3，鋼材的自重按78.50kN/m3計(jì)算，計(jì)算溫度荷載時鋼材線膨脹系數(shù)按1.2×10-5m/m℃計(jì)算。

1.2.2 計(jì)算模型

圖7 施工過程仿真模擬計(jì)算模型

在有限元軟件Midas/gen中建立銅陵體育館工程有限元模型，大懸挑管桁架空間結(jié)構(gòu)中的弦桿和腹桿、加強(qiáng)支撐桁架和塔柱中的構(gòu)件均采用梁單元，具體單元尺寸依照設(shè)計(jì)尺寸輸入，按“等截面三維梁單元”模擬，考慮有軸向拉伸或(壓縮)、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)的變形剛度。在單元坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系里，梁單元的每一個節(jié)點(diǎn)考慮具有6個自由度，即考慮三個方向的線性位移和三個方向的旋轉(zhuǎn)位移。在懸挑部分的管桁架對模擬的梁單元釋放梁自由度。[6]主體結(jié)構(gòu)自重由軟件自動導(dǎo)入，計(jì)算模型如圖7所示。

2 實(shí)例研究

2.1 結(jié)構(gòu)一次成型仿真模擬

大懸挑三角形管桁架空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是根據(jù)結(jié)構(gòu)受一次性加載來進(jìn)行計(jì)算的，結(jié)構(gòu)一次成型下的仿真模擬是采用施工過程全部結(jié)束后結(jié)構(gòu)所受荷載一次性加載到結(jié)構(gòu)上觀察結(jié)構(gòu)的響應(yīng)為目標(biāo)。[7]

銅陵體育館大懸挑三角形管桁架空間結(jié)構(gòu)在一次成型情況下，結(jié)構(gòu)在X方向、Y方向、Z方向位移分布及結(jié)構(gòu)的總位移分布如圖8所示。

(a)結(jié)構(gòu)X方向位移分布(b)結(jié)構(gòu)Y方向位移分布

圖8 一次成型結(jié)構(gòu)整體位移分布

通過對大懸挑三角形管桁架在一次成型情況下的計(jì)算分析，通過計(jì)算結(jié)果可以得出在施工過程中整體結(jié)構(gòu)變形主要是Z方向的變形。各個方向的變形情況如下：X方向的最大位移為8.29mm，Y方向的最大位移為5.11mm，Z方向的最大位移為44.79mm，整體結(jié)構(gòu)總位移最大為45.19mm。

2.2 結(jié)構(gòu)分步成型仿真模擬

按照施工方案中的結(jié)構(gòu)分布成型安裝過程，采用有限元軟件Midas Gen對整個施工安裝過程進(jìn)行仿真模擬，分析過程中，采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐來模擬支撐胎架對結(jié)構(gòu)的支撐作用。[8]整個鋼結(jié)構(gòu)的安裝過程分成6個施工階段，其中鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程分為5個施工階段，卸載過程為1個施工階段，施工階段的模擬是通過激活不同的結(jié)構(gòu)組、邊界組及荷載組來進(jìn)行模擬。卸載階段采用的是對邊界組進(jìn)行鈍化的方法來模擬支撐架的卸載。[9]各個施工階段計(jì)算結(jié)果見圖9。

通過對大懸挑三角形管桁架在分布成型情況下的計(jì)算分析，通過計(jì)算結(jié)果可以得出在施工過程中整體結(jié)構(gòu)變形主要是Z方向的變形。各個方向的變形情況如下:X方向的最大位移為7.39mm，Y方向的最大位移為4.62mm，Z方向的最大位移為40.51mm，整體結(jié)構(gòu)總位移最大為40.89mm。

通過對比一次成型和分布成型兩種不同的計(jì)算結(jié)果， X方向位移最大值相差0.7mm，相對增加9.45%;Y方向位移最大相差0.5mm，相對增加10.82%;Z方向位移最大相差4.3mm ，相對增加10.61%;整體結(jié)構(gòu)總位移相差為4.3mm，相對增加10.51%。

采用Midas Gen有限元分析中提供的施工階段仿真模擬對擬定的施工方案中結(jié)構(gòu)施工全過程進(jìn)行跟蹤分析，得出施工全過程中結(jié)構(gòu)變形變化的數(shù)據(jù)，對比兩種成型情況下節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)整體的位移變化，X、Y、Z方向的位移變化均在10%左右，結(jié)構(gòu)在懸挑端部位移變化比較明顯，因此對大懸挑三角形管桁架空間結(jié)構(gòu)施工過程中進(jìn)行位移控制是必要的。管桁架屬于剛性結(jié)構(gòu)，變形控制可采用以上的分析結(jié)果，施工過程中在安裝構(gòu)件懸挑端部設(shè)置向上的變形預(yù)調(diào)值來補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的變形，從而達(dá)到控制施工位移的目標(biāo)。[10]

(a)施工第一步

(b)施工第二步

(c)施工第三步

(d)施工第四步

(e)施工第五步

(f)施工第六步

圖9 施工階段流程分析

2.3 結(jié)構(gòu)合攏時溫度影響計(jì)算分析

溫度作用主要考慮太陽輻射、氣溫變化等因素，作用在構(gòu)件或結(jié)構(gòu)上的溫度作用應(yīng)通過其溫度的變化數(shù)值來衡量。鋼材的線膨脹系數(shù)αT=1.2×10-5m/m℃，所以管桁架屬于對氣溫變化較敏感的結(jié)構(gòu)，為安全起見，應(yīng)考慮極端氣溫的影響，基本氣溫Tmax和Tmin可根據(jù)工程所在地施工期間氣候條件作適當(dāng)調(diào)整。施工階段的管桁架通常依據(jù)結(jié)構(gòu)的朝向和表面吸熱性質(zhì)考慮太陽輻射的影響。管桁架空間結(jié)構(gòu)的最高初始平均溫度和最低初始平均溫度可根據(jù)其合攏成形的時間確定，或根據(jù)施工期間其可能出現(xiàn)的溫度按不利情況確定。[11]

依據(jù)銅陵體育館工程施工調(diào)查資料，確定合攏時溫度基于+10～16℃，作用結(jié)構(gòu)的溫度工況為20℃，為研究溫度變化對結(jié)構(gòu)成形后的影響，采用設(shè)計(jì)軟件3D3S11進(jìn)行溫度計(jì)算，分析了整體結(jié)構(gòu)在三種工況(①：1.0D；②：1.0D+1.0T；③：1.0D-1.0T)作用下，其豎向位移和構(gòu)件強(qiáng)度的變化趨勢，總結(jié)了溫度變化對環(huán)形超長構(gòu)件受力性能的影響。其計(jì)算輸出結(jié)果如圖10所示。

(a)1.0D工況豎向位移圖

(b)1.0D工況豎向應(yīng)力圖

(c)1.0D+1.0T豎向位移圖

(d)1.0D+1.0T豎向應(yīng)力圖

(e)1.0D-1.0T豎向位移圖

(f)1.0D-1.0T豎向應(yīng)力圖

圖10 溫度計(jì)算輸出結(jié)果

環(huán)形超長構(gòu)件計(jì)算結(jié)果輸出數(shù)值整理如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算分析結(jié)果表示，大懸挑三角形管桁架空間結(jié)構(gòu)體系中，盡管管桁架結(jié)構(gòu)的空間剛度和協(xié)調(diào)變形能力較好，但是，溫度的變化對結(jié)構(gòu)成形后的變形和構(gòu)件強(qiáng)度影響較大，相對合攏溫度，溫度升高20℃，內(nèi)環(huán)檐口構(gòu)件豎向位移為-32.9mm，標(biāo)高提升8.3mm，豎向位移降低了20%，而構(gòu)件的最大應(yīng)力比增加了10%；相對合攏溫度，溫度降低20℃，內(nèi)環(huán)檐口構(gòu)件豎向位移為-62.2mm，標(biāo)高降低了21mm，豎向位移增加了51%，而構(gòu)件的最大應(yīng)力比增加了5%。分析比較可知：溫度升高，對結(jié)構(gòu)的豎向位移有利，其代價是構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力增加，即對構(gòu)件的應(yīng)力比控制不利；溫度降低，對結(jié)構(gòu)的豎向位移不利，同時，構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力也有所增加，相對溫度升高情況較小，即對構(gòu)件的應(yīng)力比控制也是不利的。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，大懸挑三角形管桁架結(jié)構(gòu)體系，其環(huán)形超長構(gòu)件依據(jù)設(shè)計(jì)文件中的規(guī)定，選擇溫度較低的合攏溫度時，需要確定當(dāng)?shù)氐臉?gòu)件表面最高太陽輻射溫度，復(fù)核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的驗(yàn)算，避免由于溫度的升高，構(gòu)件的應(yīng)力比超出設(shè)計(jì)范圍；選擇溫度較高的合攏溫度時，需要分析并確定大懸挑三角形鋼管桁架結(jié)構(gòu)的預(yù)起拱值，做好懸挑結(jié)構(gòu)的豎向位移控制，使卸載成形后的懸挑結(jié)構(gòu)豎向位移滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

文章針對大懸挑管桁架空間結(jié)構(gòu)施工過程，利用Midas Gen有限元分析軟件，對大懸挑管桁架鋼結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行了模擬仿真分析；采用設(shè)計(jì)軟件3D3S11進(jìn)行溫度計(jì)算，對管桁架在溫度應(yīng)力影響下的結(jié)構(gòu)合攏情況進(jìn)行研究。共得出如下結(jié)論：

(1)利用Midas Gen有限元分析軟件，分別分析了結(jié)構(gòu)一次成型與分步成型兩種情況下結(jié)構(gòu)位移的變化規(guī)律，提出通過設(shè)置安裝構(gòu)件變形預(yù)調(diào)值來滿足實(shí)際施工需要的解決方案。

(2)通過研究管桁架空間結(jié)構(gòu)合攏時的不同溫度變化情形，分析溫度變化對結(jié)構(gòu)的變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響程度，為工程選擇適宜的施工合攏時間提供理論依據(jù)。

[1] 張曉燕，郭彥林，黃李驥，等．深圳會展中心鋼結(jié)構(gòu)屋蓋起拱方案及施工技術(shù)[J]．工業(yè)建筑，2004，34(12)：15- 18．

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[責(zé)任編輯：張永軍]

Simulation Analysis and Research Review on the Construction Process of the Large Cantilever Pipe Truss Spatial Structures:Taking the Tongling Stadium as an Example

FAN Jia- mao1， SHEN Wan- yu2，ZHANG Bing- shun2

(1.Department of Architecture Engineering,Hefei Technology College,Chaohu 238000, Anhui；2.Anhui FuHuang Architectural Design Research Limited Company, Hefei 230088,China)

Aiming at the spatial structure system of the large cantilever triangle pipe truss on the Tongling stadium, the whole construction processes were simulated and analysed by the finite element analysis software Midas Gen in the both cases of a molding and multistep molding.The law of structural displacement has been gotten.The solutions of Controlling the displacement of the construction have been proposed by Setting up the preset values of the installation components deformation. The temperature change on the influence of structure deformation and internal force was analysed by the design software of 3D3S11.Theoretical basis has been proposed for choosing the right time to fold in the engineering construction. The results of the study could be a reference for the construction of the similar large cantilever pipe truss spatial structures.

large cantilever pipe truss；spatial structure；construction process；simulation analysis

2016-10-28

2017-03-01

2015年安徽省高等教育振興計(jì)劃項(xiàng)目(2015zdjy194)資助。

范家茂(1967— )，男，安徽無為人，合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系副教授、國家注冊監(jiān)理工程師，一級建造師；研究方向：建筑與土木工程。

TU745.2

A

2096-2371(2017)02-0099-07