陳文杰

摘 要：長(zhǎng)白山站高鐵站房屋蓋結(jié)構(gòu)形式為為正交空間管桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)提升分為兩個(gè)提升區(qū)，擬采用樓面原位拼裝，再利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行同步整體提升的施工方案。為確保在提升過程中各處結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，采用有限元分析軟件MIDAS對(duì)結(jié)構(gòu)分區(qū)進(jìn)行建模分析，結(jié)果表明：在各區(qū)的關(guān)鍵施工過程工況的計(jì)算中，結(jié)構(gòu)各處位移變形、應(yīng)力、反力均滿足設(shè)計(jì)要求。分析過程嚴(yán)謹(jǐn)，計(jì)算結(jié)果具有較高精確性，為同類工程的分析研究提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：空間管桁架;整體提升;有限元法

中圖分類號(hào)：TU393.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： the structure of high-speed railway station house cover of Changbaishan station is orthogonal space pipe truss structure， and the structure lifting is divided into two lifting areas. It is proposed to adopt the construction scheme that the floor is assembled in situ， and then the hydraulic system is used for synchronous overall lifting. In order to ensure the safety and stability of the structure in the lifting process， the finite element analysis software MIDAS is used to model and analyze the structural zones. The results show that the displacement， deformation， stress and reaction of the structure meet the design requirements in the calculation of the key construction process conditions of each zone. The analysis process is rigorous and the calculation results are highly accurate， which provides a reference for the analysis and research of similar projects.

Key words： space pipe truss; Overall improvement; Finite element method

1? 引言

隨著近些年來我國(guó)對(duì)公共建筑要求的不斷提高，使得（大跨度）空間結(jié)構(gòu)受到廣泛青睞，一些以火車站、機(jī)場(chǎng)、體育館等為代表的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑迅速在各大城市落地。但由于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)工程在提升及拼接過程中的施工難度和復(fù)雜特性，也促使越來越多針對(duì)此類工程的研究，如陳明、孫佳佳[1]針對(duì)哈爾濱某滑雪場(chǎng)大跨度管桁架屋蓋提升施工中的問題，采用多尺度有限元法，研究了施工過程中各桿件及吊點(diǎn)的受力性能;盧來運(yùn)[2]等對(duì)大跨度雙層穹頂網(wǎng)架高空拼接施工方法進(jìn)行了探究;趙海燕[3]依托天水體育場(chǎng)空間管桁架吊裝拼接的實(shí)際工程，利用MIDAS有限元分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，研究并評(píng)估了結(jié)構(gòu)施工過程的安全性;王濤[4]運(yùn)用有限元軟件對(duì)某機(jī)庫鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋蓋整體提升工程進(jìn)行不同步工況及提升點(diǎn)失效工況模擬分析，歸納提出了大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提升點(diǎn)布置的影響因素;楊賀龍[5]針對(duì)某大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工技術(shù)難題，研究并采用了復(fù)雜異形曲面鋼結(jié)構(gòu)連廊動(dòng)態(tài)液壓整體提升關(guān)鍵技術(shù)，保證了整體結(jié)構(gòu)在提升施工中的安全性。

大跨正交空間管桁架結(jié)構(gòu)由于其較大的跨度及新穎的結(jié)構(gòu)形式在提升施工工程中存在較多困難，易于出現(xiàn)安全問題，在整個(gè)提升施工過程中，整體結(jié)構(gòu)要經(jīng)歷許多次應(yīng)力重分布，甚至?xí)谀程幊霈F(xiàn)拉壓轉(zhuǎn)換的情況，因此對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行模擬分析和施工監(jiān)控是必要的[6-8]，鑒于前人對(duì)正交管桁架提升施工研究尚淺，擬對(duì)其進(jìn)行分析探究。

2? 工程概況

長(zhǎng)白山高鐵站位于吉林省安圖縣，建筑高度32.6m，總建筑面積為29998 ㎡，站房鋼結(jié)構(gòu)主要包括高架站房、線側(cè)站房鋼結(jié)構(gòu)。站房采用正交空間管桁架結(jié)構(gòu)體系鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，此部分鋼結(jié)構(gòu)最大安裝標(biāo)高為+30.3m。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件以及提升工藝的要求，鋼結(jié)構(gòu)提升范圍為結(jié)構(gòu)的1-2～1-5軸線×1-A～1-G軸線和1-1～1-6軸線×2-D～1-A軸線之間，結(jié)構(gòu)最大跨度為60m，主桁架最薄處厚度為2.5m，最厚處厚度為4.7m，提升高度約為16.1m，分兩個(gè)提升區(qū)施工，一區(qū)提升重量約為503t、二區(qū)提升重量約為700t，桁架和附屬結(jié)構(gòu)（檁條、馬道）提升總重量為1203t。結(jié)構(gòu)平、立面布置圖如圖1。

鋼桁架提升一區(qū)整體提升，范圍在軸線1-2～1-5×軸線1-D～1-G之間;提升二區(qū)累積提升，提升二A區(qū)范圍在軸線1-2～1-5×軸線1-A～1-C之間，提升二B區(qū)范圍在軸線1-2～1-5×軸線2-D～2-F之間。提升范圍如下圖2。

3? 方案思路

本工程中，由于桁架結(jié)構(gòu)的最大安裝標(biāo)高為+30.3m，若采用分件高空散裝，不但高空組裝、焊接工作量大、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備很難滿足吊裝要求，而且所需高空組拼胎架難以搭設(shè)，存在很大的安全、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。施工的難度大，不利于鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝的安全、質(zhì)量以及工期的控制。

根據(jù)以往類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，若將結(jié)構(gòu)在安裝位置的正下方地面上拼裝成整體后，利用“超大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù)”將其整體提升到位，將大大降低安裝施工難度，于質(zhì)量、安全、工期和施工成本控制等均有利。具體來說即鋼結(jié)構(gòu)提升單元在其投影面正下方的地面上拼裝為整體，同時(shí)，在桁架結(jié)構(gòu)上弦層（標(biāo)高+28.774m）處，利用桁架上弦和鋼柱設(shè)置提升平臺(tái)（上吊點(diǎn)），在鋼結(jié)構(gòu)提升單元的下弦層桿件與上吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置處安裝提升臨時(shí)吊具和臨時(shí)管（下吊點(diǎn)），上下吊點(diǎn)間通過專用底錨和專用鋼絞線連接。利用液壓同步提升系統(tǒng)將鋼結(jié)構(gòu)整體提升至設(shè)計(jì)安裝位置，并與預(yù)裝段牛腿等連接，完成安裝。

4? 超大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù)

4.1技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

本工程中鋼結(jié)構(gòu)采用整體液壓同步提升技術(shù)進(jìn)行吊裝，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）鋼結(jié)構(gòu)主要的拼裝、焊接及油漆等工作在地面進(jìn)行，可用汽車吊進(jìn)行散件吊裝，施工效率高，施工質(zhì)量易于保證。

2）鋼結(jié)構(gòu)的附屬次結(jié)構(gòu)件等可在地面安裝或帶上，可最大限度地減少高空吊裝工作量，縮短安裝施工周期。

3）提升上下吊點(diǎn)等主要臨時(shí)結(jié)構(gòu)利用自身結(jié)構(gòu)設(shè)置，加之液壓同步提升動(dòng)荷載極小的優(yōu)點(diǎn)，可以使提升臨時(shí)設(shè)施用量降至最小，有利于施工成本控制。

4）通過提升設(shè)備擴(kuò)展組合，提升重量、跨度、面積不受限制。

5）采用柔性索具承重，只要有合理的承重吊點(diǎn)，提升高度與提升幅度不受限制。

6）液壓提升系統(tǒng)具有毫米級(jí)的微調(diào)功能，能實(shí)現(xiàn)空中垂直精確定位。

7）設(shè)備體積小，自重輕，承載能力大，特別適宜于在狹小空間或室內(nèi)進(jìn)行大噸位構(gòu)件提升。

4.2施工工藝流程

以提升二區(qū)為例，鋼結(jié)構(gòu)提升流程如下：

鋼結(jié)構(gòu)在+8.85m的樓面上拼裝成整體提升單元，在桁架結(jié)構(gòu)上弦層利用上弦桿和鋼柱（立桿）設(shè)置提升平臺(tái)，在提升單元與上吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置安裝提升下吊點(diǎn)臨時(shí)吊具和臨時(shí)管，安裝液壓提升系統(tǒng)。

調(diào)試液壓提升系統(tǒng)，進(jìn)行試提升，試提升無問題后，將提升單元整體提升至15.0m高度，暫停提升，提升單元和樓面拼裝單元對(duì)接。

試提升無問題后，將提升單元整體提升至設(shè)計(jì)安裝位置，并與預(yù)裝段牛腿等連接，完成安裝。

結(jié)構(gòu)形成整體受力后，液壓提升器卸載，拆除提升設(shè)備及臨時(shí)措施，完成桁架結(jié)構(gòu)安裝。

提升流程示意圖如圖3所示。

4.3 提升吊點(diǎn)設(shè)置

鋼結(jié)構(gòu)桁架一區(qū)整體提升設(shè)置12組吊點(diǎn)，二區(qū)第一次提升設(shè)置6組吊點(diǎn)，第二次提升設(shè)置14組吊點(diǎn)，每組吊點(diǎn)配置1臺(tái)YS-SJ型液壓提升器，同一時(shí)間最多14臺(tái)設(shè)備工作。提升吊點(diǎn)平面布置如下圖4所示。

4.4 同步吊點(diǎn)設(shè)置

每臺(tái)液壓提升器處各設(shè)置一套行程傳感器，用以測(cè)量提升過程中各臺(tái)液壓提升器的提升位移同步性。主控計(jì)算機(jī)根據(jù)各個(gè)傳感器的位移檢測(cè)信號(hào)及其差值，構(gòu)成“傳感器-計(jì)算機(jī)-泵源控制閥-提升器控制閥—液壓提升器-提升單元”的閉環(huán)系統(tǒng)，控制整個(gè)提升過程的同步性。

4.5提升分級(jí)加載設(shè)置

以計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的各提升吊點(diǎn)反力值為依據(jù)，對(duì)提升單元進(jìn)行分級(jí)加載（試提升），各吊點(diǎn)處的液壓提升系統(tǒng)伸缸壓力分級(jí)增加，依次為20%、40%、60%、70%、80%;在確認(rèn)各部分無異常的情況下，可繼續(xù)加載到90%、95%、100%，直至提升單元全部脫離拼裝胎架。

5? 提升工況驗(yàn)算及分析

5.1 荷載與組合

1）恒荷載DL;DL為結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)（檁條、馬道）自重。

2）標(biāo)準(zhǔn)荷載組合：1.0DL。

3）基本荷載組合：1.5DL。

5.2 計(jì)算工況

根據(jù)施工方案、荷載和邊界條件，選取提升階段關(guān)鍵的施工過程作為計(jì)算工況，其計(jì)算工況對(duì)應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)如下圖5。

5.3 各工況計(jì)算結(jié)果

5.3.1 位移計(jì)算結(jié)果

使用MIDAS對(duì)各工況下結(jié)構(gòu)的豎向位移分布、應(yīng)力比分布、反力分布進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果的豎向位移分布如圖6所示。

由圖6可得對(duì)于工況1來說最大的豎向位移出現(xiàn)在軸線1-E的跨中，達(dá)到了42mm，靠近各吊點(diǎn)的區(qū)域位移較小;對(duì)于工況2，最大位移出現(xiàn)在軸線1-B至1-C×2-11至2-12的區(qū)域內(nèi)，最大位移為39mm;工況3下可以看出在軸線1-A至1-B×1-11至1-12的區(qū)域內(nèi)均有較大位移，豎向位移最大值達(dá)到了46mm，出現(xiàn)在軸線1-A的跨中。綜合三個(gè)工況下的豎向位移最大值為46mm，兩端提升點(diǎn)的間距為53200mm，則變形為跨度的1/1156，滿足規(guī)范[9]1/400的要求。

5.3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

各工況應(yīng)力比分布如圖7。

由圖7可得工況1下的最大應(yīng)力比集中在D103、D104、D105、D106四個(gè)吊點(diǎn)兩側(cè)的桁架上，最大值為0.78，工況2及工況3下的最大應(yīng)力比也多集中于各吊點(diǎn)附近的桁架中，最大值分別為0.63和0.66，綜合來看0.78即為結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比，根據(jù)規(guī)范最大應(yīng)力比應(yīng)小于1.0，故滿足規(guī)范要求。

5.3.3 反力計(jì)算結(jié)果

各工況豎向反力分布如圖8。

由圖8可得在各種工況中豎向反力較大點(diǎn)均在吊點(diǎn)處出現(xiàn)，工況1的最大值為743.55kN，在吊點(diǎn)D105和D106處，工況2的最大值為665.08kN，出現(xiàn)在D203和D204處，而工況3的豎向反力最大值為884.57kN，也為三個(gè)工況下的最大值，是在吊點(diǎn)D205和D206處。根據(jù)規(guī)范

根據(jù)上述各工況計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)如表1所示：

6? 結(jié)論

本文以長(zhǎng)白山站高鐵站房正交空間管桁架結(jié)構(gòu)提升工程為依托，運(yùn)用有限元軟件MIDAS對(duì)結(jié)構(gòu)提升施工過程中各點(diǎn)處的應(yīng)力、變形等受力狀況進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明三個(gè)工況下的豎向位移最大值為46mm，出現(xiàn)在軸線1-A的跨中;最大應(yīng)力比為0.78，出現(xiàn)在吊點(diǎn)D105和D106兩側(cè)桁架中;最大豎向反力為884KN，出現(xiàn)在吊點(diǎn)D205和D206處。最大豎向位移、應(yīng)力比均滿足設(shè)計(jì)要求，且各吊點(diǎn)處均未出現(xiàn)零反力或負(fù)反力，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及吊點(diǎn)設(shè)置合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳明， 孫佳佳， 鄭波 . 某大跨度鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)提升施工分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2016，46，（23）： 73-78.

[2]盧來運(yùn)， 李楊， 鄭壘 . 大跨度雙層穹頂網(wǎng)架高空拼接施工方法試驗(yàn)測(cè)試[J]. 科技通報(bào)，2017，33（ 5） ： 52-55.

[3]趙海燕， 董浩森， 王秀麗等. 空間管桁架結(jié)構(gòu)吊裝拼接過程實(shí)測(cè)分析及安全性研究[J]. 建 筑科學(xué)，2020，（01）： 143-150.

[4]王濤， 廖維張， 馬長(zhǎng)濤 . 某機(jī)庫鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋蓋整體提升施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 施工技術(shù)，2015，44（20）： 81- 85.

[5]楊賀龍， 劉文超， 張克勝等 . 某異形曲面大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊液壓整體提升施工技術(shù)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2020， 50（S2）：861- 864.

[6]王秀麗，榮子豪，楊本學(xué)，等. 空間管桁架結(jié)構(gòu)體育館施工全過程模擬分析與健康監(jiān)測(cè)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2017， 34（2）： 18-25.

[7]陳適才，閆維明，周海洋，等. 首都機(jī)場(chǎng)大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)累積提升施工技術(shù)的相關(guān)問題分析[J]. 工業(yè)建筑， 2010（11）： 105-110.

[8]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部， 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB50017-2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2017.