大跨度平板网架结构高空散装施工模拟与监测分析

彭 剑,蒙宇红

(广西建工第一建筑工程集团有限公司,南宁 530022)

1 工程概况

佛冈体育馆长64.0 m,宽62.6 m,总建筑面积1.04万m2,属于佛冈县重点建设工程。项目位于佛冈县龙凤大道,主建筑地上3层,为大跨度平板双向钢网架结构。体育馆屋面网架最大设计高度18.405 m,主要由下弦杆、上弦杆、腹杆、抗震球形支座、螺栓球组成,圆形杆件采用Q345B钢,设计数量为4 679根,单根杆件最大质量为0.185 t,球节点连接构件1 221个,起吊拼装单元质量均小于0.8 t。网架的主体支撑结构为混凝土支柱,共有35个固定抗震球形支座和1个滑动抗震球形支座整体支撑在柱顶部。考虑到该项目屋面网架面积较大,运输及吊装困难,因此对该平板网架的施工采用高空散装施工方法。高空散装法直接将小拼单元或散件在设计位置上进行拼装,分为全支架法和悬挑法。其中全支架法又称为满堂脚手架法,该方法在网架施工的技术、安全以及成本方面具有明显优势,是钢网架结构中应用最多的施工方法之一。

2 高空散装模拟分析

2.1 建立网架模型

采用满堂脚手架法进行网架的安装施工,其自身重量均由脚手架支撑,在网架未完全合龙前,网架结构的挠度变形和杆件内力均随施工过程而变,极易出现节点变形、支架沉降等现象,从而导致网架构件的应力超过屈服极限发生局部失稳[3]。该研究利用Midas/Gen有限元软件,模拟分析佛冈体育馆屋面网架的施工过程,首先建立屋面网架三维模型,其中杆件选用Q345钢,材料屈服强度f=345 MPa,弹性模量E=206 GPa,泊松比v=0.3,混凝土强度等级为C30。根据《建筑结构荷载规范(GB 50009—2012)》及设计资料,网架模型采用球铰支座,节点设定为铰接,所有荷载作用均折算成集中力施加于上弦节点。其中网架恒荷载取0.3 kN/m,屋面活荷载取0.5 kN/m,结构自重由程序自动计算。

2.2 安装顺序及模拟结果

由于网架安装过程的挠度变形较大,提出以下方案来减小网架结构的变形:1)采用合理的网架拼装顺序;2)同步监测网架各阶段安装过程,并及时进行误差纠偏。基于以上解决方案,采用Midas/Gen有限元软件,按照施工步骤将结构构件、支座约束、荷载工况划分为组,对网架施工各阶段的内力和变形进行分析。通过有限元分析方法,采用单元死/活功能[4]模拟网架构件的整个安装过程,分析过程采用累加模型的方式,每个施工阶段分析时,前一阶段内力和位移作为初始状态,从而真实模拟网架施工动态过程。计算发现,第一区域的网架遵循从左至右进行,剩余区域遵循南侧向北侧循序渐进安装时,整个钢结构挠度变形影响最小。因此网架安装顺序遵循“循序安装、左侧往右侧合龙、由南至北”的原则,并确保网架安装过程各施工步的支撑点处于顶紧状态,对应的网架安装顺序如图1所示。

根据以上网架安装顺序原则进行施工模拟,列出各阶段较不利施工步的分析结果,施工结束后网架的应力比云图如图2所示。

基于佛冈体育馆平板网架屋盖施工模拟分析结果,得出以下结论:1)构件最大应力比出现在第21施工步,达到0.94,其他施工步构件应力比均小于0.9。在第32施工步(网架拼装完成)构件最大应力比为0.89,构件高空散装各阶段的应力比均未超过1。2)洞口范围(11轴～12轴交E轴～F轴)的网架安装时(施工步14)需有侧向支撑,保证网架拼装过程侧向稳定性满足要求。综上网架拼装和拆除过程构件承载力满足要求。

3 钢网架结构施工安装工艺

依据网架施工模拟结果编制网架的安装施工方案,采用高空散装方式进行网架安装,据此布控的塔吊均能满足现场网架单根杆件的吊装要求。为减少温度应力影响,钢结构的合龙温度为25～33 ℃。

3.1 操作平台搭设方案

项目屋面网架采用满堂脚手架作为高空散装操作平台。满堂脚手架平面尺寸为64 m×62.6 m,架体钢管规格取Ф48 mm×3,材料为Q235钢,脚手架最大搭设高度为15.6 m,搭设纵横间距为1.2 m,步距1.5 m。脚手架顶层作为网架的操作平台,其标高较网架下弦标高浮动20～40 mm,水平杆布置间距为300 mm,并满铺脚手板。对满堂脚手架进行承载力验算时,考虑操作平台上人及堆放材料,施工活荷载取3 kN/m2。计算结果显示,纵向钢管最大应力计算值为σ=90.646 N/mm2≤[f]=205 N/mm2,最大挠度为1.588 mm≤min(1 200/150,10)=8 mm,满足要求。横向支撑钢管的最大应力计算值为125.835 N/mm2≤[f]=205 N/mm2,最大挠度为2.181 mm≤min{1200/150,10}=8 mm,钢管立杆稳定性验算σ=177.476 N/mm2≤[f]=205 N/mm2,因此验算结果满足规范要求。

3.2 网架施工工序设计

在地面拼装四角锥体和三角锥体拼装单元,通过塔吊吊运至拼装区域,然后采用满堂架平台进行散装拼接。高空散装施工工艺为:在已安装且完成闭合的网架上并排安装两个倒三角锥单元体→连接两个倒三角锥单元体之间的上弦杆→安装两个带下弦球节点的倒三角锥单元体→向右安装吊装单元并与已安装网架连成整体→相同步骤同时向左对称安装→循环以上步骤,形成整体。

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3.3 网架关键部位安装工艺

依据数值分析方法确定网架安装顺序并进行安装,其中杆件之间采用螺栓球节点连接,杆件与支座采用焊接球节点连接。空心球与下弦杆、上弦杆、腹杆采用焊接连接,螺栓球与下弦杆、上弦杆、腹杆采用螺栓连接。

3.3.1 焊接球节点安装

焊接球上下弦杆的焊接全部在地面上完成,以减少网架总拼过程中的焊接应力[5]。屋面网架焊接时先焊下弦,使下弦收缩而略向上拱,然后焊接腹杆及上弦,以避免由于先焊上弦造成的不易消除的人为挠度。为防止网架拼装过程中因为网架自重或支架刚度较差而出现挠度过大的情况,项目屋面网架预先设置10 mm的预起拱,焊接球节点全部焊缝均需要进行外观检测,其中一级焊缝的探伤比例为100%。

3.3.2 螺栓球节点安装

螺栓球节点拼装施工时,先在地面拼装成小拼单元再由塔吊吊运至安装位置,从屋面一端开始,以一个网格为一排,逐排步进。螺栓球节点组装工艺为:下弦节点→下弦杆→腹杆及上弦节点→上弦杆→校正→全部拧紧螺栓。对节点进行校正前,各个工序螺栓均不拧紧,以防构件内部出现应力集中现象。

4 网架结构拼装过程监测数据分析

4.1 网架安装挠度监测

在网架构件拼装施工时同步进行挠度监测,监测次数和频率为合龙后一次,卸载阶段2天一次,屋面加载阶段3天监测一次,验收阶段两次,同时根据现场施工情况进行加密或延迟监测。图3为网架安装过程各监测点2022年7月12日至2022年8月8日以来采用磁致式静力水准仪HT-SZY200记录的挠度值变化曲线。

从图3监测结果可以看出,网架各测点位移量基本反映安装过程中产生的位置变化,在第12次监测之后,各测点的竖向位移数据变化趋于稳定。依据标准JGJ7—2010《空间网格结构技术规程》关于网架安装挠度限值的规定,钢网架安装完毕后整体挠度不得超过其跨度的1/250,因此该项目屋面结构网架的挠度值为181.22 mm<允许挠度值62.6 m/250=250 mm,满足安装过程的规定和要求。

4.2 网架构件应力监测

根据该工程施工过程中结构内力变化大的特点,项目在平板网架安装过程中主要在结构重要构件处、施工模拟中应力绝对值较大部位处以及施工过程中应力变化可能较大的构件上布置测点,图4为网架安装过程各应力测点2022年6月10日至2022年8月8日以来采用应变计SCL-YB2000监测的应力值变化曲线。

由图4可以看出,在杆件拼装过程中,应力及累积应力小于Q345-B钢材的屈服强度,除个别点外应力监测变化值均小于300 MPa。随着结构成型,所测杆件的应力均趋于收敛,说明结构变形及内力趋于稳定。

4.3 网架水平位移变形监测

为防止散装施工引起的水平累积位移,网架结构安装过程中必须时刻测量和控制其安装误差[6]。为此需对网架安装过程中的水平位移进行同步监测,并对不满足设计和安装要求的部位进行纠偏。图5为网架散装过程各水平位移测点2022年7月27日至2022年8月8日以来采用全站仪监测的水平位移变化曲线。

从图5可知,所抽查的圆形杆件水平向位移均未超过5 mm,水平位移偏差合格率达到100%。同时,网架结构受载稳定并且测点水平位移偏差最大值为4.6 mm,满足《空间网格结构技术规程》的要求。通过位移、挠度以及应变三个方面的监测相互协调,保证了网架结构安装各项参数监测结果的准确性和有效性。网架安装监测到的构件应力及位移均在规范限值以内,表明该有限元分析方法可以较好模拟网架施工的应力及位移变化。

5 结 论

结合佛冈体育馆项目屋盖结构,通过Midas/Gen软件进行施工模拟,分析结果对网架结构的高空散装施工起到了指导作用,得到以下结论:

a.采用大型有限元分析软件Midas/Gen建立了网架结构分析模型,通过施工模拟得到了应力比云图,发现各施工步下构件的应力比均小于1,网架拼装过程中的构件承载力满足要求。

b.按照施工模拟结果设计的施工方案进行网架安装时,拉索位移变形量施工监测结果均在规范允许范围之内,说明运用“循序安装、左侧往右侧合龙、由南至北”的散装顺序原则进行网架安装过程变形控制的设计思路是可行的,可以有效控制大跨度平板网架结构的变形。

c.随着网架安装进度的推进,所测杆件的变形和内力逐步收敛,说明结构内力、变形控制良好,进一步证明了所提出的施工模拟方法以及高空散装优化方案适用于跨度要求较大的平板网架工程,监测方法可为相关项目提供借鉴。