大跨度钢桁架整体提升施工技术

大跨度钢桁架整体提升施工技术

王红良，何峰

浙江中南绿建科技集团有限公司，杭州 310052

摘要：大跨度空间结构能提供较大的无障碍空间，广泛应用于公共建筑中。本文依托于海口新海滚装码头客运综合枢纽站项目钢桁架屋盖体系，详细介绍了其施工方案。然后，采用SAP2000有限元软件对屋盖钢结构整体提升进行施工模拟分析，获得其在自重荷载作用下，提升过程和卸载过程中结构的最大竖向挠度和应力分布。结果表明，采用分区、分单元整体提升的施工工艺，结构在提升和卸载过程中的变形和应力较小，满足施工要求，验证了该施工方案的可行性和安全性。

关键词： 钢桁架屋盖；整体提升；施工方案；施工模拟

中图分类号：TU375.4       文献标识码：A         文章编号：

第一作者：王红良, 中级工程师, 国家一级注册建造师，Email: 453613506@qq.com。

Overall lifting constructional technology for the long-span steel truss

Shen Haiying，Wang Hongliang，Wang Haishan，Chen Zhiwei

（Zhejiang Zhongnan Green Construction Technology Group Co.,Ltd.，Hangzhou，310052，China）

Abstract: The long-span space structure, which can provide large barrier free space, is widely used in public buildings. This paper relies on the steel-truss roof of Haikou Xinhai passenger transport comprehensive hub. First, the paper introduces its construction scheme detailly. Moreover, the overall lifting construction process of the steel-truss roof is simulated by the SAP2000 to obtain its vertical deformation and stress distribution at construction stages under the self-weight load, considering load amplification factor 1.4 and dynamic factor 1.1. The construction scheme has little effect on the structural deformation and component stress, which verifies the feasibility and safety of the construction scheme.

Based on the core-tube suspension steel structure for Jiaxing Vanke neighborhood center project, first, the paper introduces its construction scheme detailly. Moreover, the construction process is simulated by the “life and death element method” of the construction stage analysis function of MIDAS Gen. The vertical deformation and stress distribution of the suspension steel structure at construction stages under 1.4 times of the self-weight load are obtained. The construction scheme of the block and symmetry has little effect on the structural deformation and component stress during lifting and unloading process, which verifies the feasibility and safety of the construction scheme.

Keywords:

steel-truss roof structure; overall lifting constructional technology; construction scheme; construction simulation

0  引言

近年来，随着我国社会经济的快速发展，城市建设的迅猛推进，我国的建筑行业也进入高速发展阶段[1]。大跨度钢结构由于强度高、自重轻，能够实现大空间的跨越，而且其造型可塑性强，作为空间结构屋盖广泛应用于会展中心、体育场馆、博物馆、航站楼、火车站等各类公共建筑领域[2-3]。大跨度钢结构项目往往结构复杂多样、施工技术要求高、施工安装过程复杂，需要对其进行施工仿真模拟，评价施工方案的可行性和安全性，避免其在施工过程中发生破坏而导致的经济损失。

空间钢结构主要包括桁架结构、网架结构、网壳结构和张拉结构等类型[4]。常见的大跨度空间钢结构施工方法有高空散装法、分区吊装法、整体安装法、高空滑移法等施工方法[5]。

本文依托于海口新海滚装码头客运综合枢纽站项目，该项目大跨度屋盖钢结构为桁架结构形式，其施工方法为区域拼装、整体提升法[6]，待屋盖钢结构全部提升到位后，分区提升的屋盖结构进行连接。整个施工过程采用SAP2000有限元软件对其进行仿真模拟，详细计算分析了屋面钢结构在施工过程中结构杆件的位移和应力的变化情况，以确保结构安装过程中不出现局部破坏，并保证施工结束后，结构处于设计位形状态，为以后同类型工程提供参考。

1 工程概况

海口新海滚装码头客运综合枢纽站项目位于海口市秀英区新海乡滨海大道新海村，作为现代服务中心和全域旅游集散地，其外形为一条飞鱼，如图1所示。屋盖钢结构按照伸缩缝布置分为南指廊、北指廊、中心区和集散区共四个大区，其屋盖钢结构采用正交斜放空间网格结构+桁架结构形式。网架结构节点采用焊接球节点，桁架结构在屋面边缘悬挑结构以及中心区天窗部分采用桁架结构，面外设置系杆及平面支撑，节点采用圆管相贯节点。

图1  海口新海滚装码头客运综合枢纽站

本项目屋盖钢结构南北长578m，东西长280m，高42.7m，总投影面积为43800㎡，总用钢量为4250t。每个分区的平面尺寸及投影面积等如表1所示。

表1 屋盖钢结构主要参数一览表

2 屋盖钢结构施工方案和吊装方案

2.1 屋盖钢结构总体施工方案

本项目屋盖钢结构采用构件车间加工制作，散件打包发往现场，现场利用已完成的混凝土结构平面作为拼装区域，使用现场塔吊和汽车吊进行屋盖桁架的拼装和马道的组装，然后分区域拼装和整体提升。

钢屋盖东西跨度较大，考虑结构温度应力的影响，设置两道伸缩缝；南北跨度为280m，设置了一道伸缩缝；三道伸缩缝将屋盖整体结构自然的划分为南指廊（A区）、北指廊（B区）、集散区（C区）和中心区（D区）共四个大区，如图2所示。同时，考虑到每个施工大区由于施工面高差导致其施工标高不同，故每个施工大区进一步划分提升单元。其中南、北指廊和集散区均划分为两个施工区，采用分段提升工艺；中心区划分为南北两个半区，其中北半区采用分段提升工艺，而南半区采用累计提升工艺。

图2  屋盖钢结构三维图

基于现场土建交付情况，钢结构总体施工顺序为：集散区→南指廊→北指廊→中心区北半区→中心区南半区。集散区施工10~15天后南指廊开始施工。待集散区施工完毕，南指廊施工接近一半时，北指廊开始施工。待南指廊施工完毕后，中心区D1区开始施工。待中心区北半区施工完毕后，中心区南半区开始施工。

2.2 屋盖钢结构施工流程

集散区基于计算设置10个吊点，如图3所示，且根据标高将整体划分为三个区域：提升区A1、A2和嵌补区。其中，提升区A1、A2在地面拼装完成，然后单体分两次整体提升到设计标高，之后，在嵌补区高空补齐杆件。提升过程中，提升区A1提升高度为7.632m，布置了6个提升吊点；提升区A2提升高度为9.323m，布置了4个提升吊点。

图3 集散区吊点布置和吊装区域划分

南北指廊结构相同，故采用相同的施工方案。基于计算设置了20个提升吊点。如图4所示，将指廊区域整体划分为三个区域：提升区B1、B2和嵌补区。其中，提升区B1、B2在地面拼装完成，然后单体分两次整体提升到设计标高，之后，在嵌补区高空补齐杆件。提升过程中，提升区B1提升高度为9.893m，布置了16个提升吊点；提升区B2提升高度为11.742m，布置了4个提升吊点。

图4 南北指廊吊点布置和吊装区域划分

中心区以后浇带为分界线，分为北半区（D1～D5）和南半区（D6～D9）；根据下层土建结构三层标高（+7.5m、+13.5m、+18.5m）将其细致划分为D1～D9共9个提升模块，如图5所示。

图5 中心区吊装区域划分

首先介绍中心区北半区的整体提升过程。提升区D1～D5的屋盖桁架结构在地面依次拼装完成，此时提升区D1标高为18.5m，提升区D2、D3标高为13.5，提升区D4、D5标高为7.5m，如图6（a）所示。将提升区D4、D5的屋盖桁架提升到13.5m，分别与提升区D2、D3进行连接，再将D2、D4和D3、D5形成的提升单元继续提升到18.5m标高，分贝与提升区D1连接形成南半区屋盖结构，此时一次提升到设计标高，复测后进行制作杆件固定，如图6（b）所示。北半区提升过程中用到22个提升设备。

（a）北半区拼装完成状态

（b）北半区提升到设计标高

图6 中心区北半区桁架剖面图

与北半区分段提升施工工艺不同，南半区屋盖桁架采用累计提升工艺。提升区D6在地面分块安装、分块提升、空中连接形成整体。D7、D8在地面拼装完成，逐步提升到已定稿度与D6进行连接。对接完成后，整体结构进一步提升到设计标高后，与北半区对接。D6、D7、D8与北半区对接完成后，对屋面结构进行卸载，拆除提升架。最后，拼装提升区D9，并提升至设计标高，与D6、D7、D8进行对接。至此，中心区屋盖结构施工完成，如图7所示。

图7 中心区屋盖桁架结构提升至设计标高

中心区提升过程中，D1、D2、D3共提升高度为13.963m，D4、D5共提升高度为16.163m，D6、D7、D8共提升高度为6.359m，D9共提升高度为6.359m。

其中，每个分区屋盖钢结构安装施工流程为：施工准备（构件制作）→构件运输与成品保护→测量放线，胎架定位→提升支架安装→地面组装网架桁架→安装马道→涂装防火涂料→提升屋盖结构→补安装支座杆件→支座焊接固定→卸载→拆除提升支架→嵌补区域杆件施工。

3 屋盖钢结构施工过程模拟

3.1 屋盖钢结构有限元模型及分析方法

为了保证结构施工安全，需对施工过程进行验算，分析结构变形和杆件的应力比，为安全施工提供数据参考。

本文新海滚装码头客运综合枢纽站屋盖钢结构材料全部选用Q355B钢材，杆件均为圆钢管。采用SAP2000建立其有限元模型，采用Frame单元模拟, 并根据实际情况赋予相应的截面尺寸。其中，为了简化分析，有限元模型中将网架结构中焊接球节点以及桁架中相贯节点均通过节点处所有杆件轴线交于一点模拟刚性连接。

屋盖钢结构分为不同的提升单元，每个提升单元在提升过程中荷载工况不变，故提升过程中结构变形及杆件应力不变，鉴于此，有限元分析中，取提升单元提升到设计标高的状态进行分析，获得结构变形及杆件应力分布。考虑到提升架细长，抗弯刚度小于压缩刚度，其水平方向的变形大于竖向压缩变形，因此，提升单元结构在提升过程的边界条件是约束吊点处杆件z方向的竖向位移，x方向和y方向设置弹簧，表明其水平方向位移可微调。提升单元结构提升到设计标高后，补全吊点处的杆件，然后进行卸载，此时卸载过程的边界条件是约束x方向和y方向的水平位移以及z方向的竖向位移。

模型施工过程中，其他荷载未施加，暂时不考虑，仅考虑构件自重荷载（含节点自重），并取1.3的荷载放大系数，同时考虑动力荷载，动力系数定取1.1。新海滚装码头客运综合枢纽站屋盖钢结构的四个分区的整体模型如图8所示。

(a)集散区

(b)南北指廊

(c)中心区

(d)D9区

图8 屋盖结构整体模型图

3.2 屋盖钢结构施工过程分析

3.2.1 集散区提升验算

考虑到集散区两个提升区A1、A2的提升过程相似，均为分段整体提升，因此，两部分一起验算，有限元模型如图8（a）所示。经过分析，与吊点相连的杆件按照设计截面采用的话，在提升过程中其应力较大，最大值为296N/mm2。为了避免提升过程中，吊点区域杆件的局部破坏，对应力较大的杆件（40根）截面放大，在进行提升-卸载过程模拟。基于分析结果可知，在提升过程中，集散区的跨中最大挠度值为73.6mm，提升到位、提升器卸载后最大下挠值76.0mm，小于规范要求的L/400=37200/400=93mm，满足安全提升的要求。对40根构件进行替换加固后，整个提升及卸载过程中杆件最大应力比0.791（卸载后最大应力比0.206），小于规范要求的1.0/1.2=0.83，满足提升要求。图9给出了卸载后集散区竖向变形图和应力图。

(a)竖向变形图

(b)应力图

图9 集散区卸载过程的变形图和应力图

3.2.2 南北指廊提升验算

与集散区相同，南北指廊屋盖钢结构也是采用分段整体提升，两部分一起验算，有限元模型如图8（b）所示。经过分析，与吊点相连的杆件按照设计截面采用的话，在提升过程中其应力较大，最大值为296N/mm2。为了避免提升过程中，吊点区域杆件的局部破坏，对应力较大的杆件（47根）截面放大，在进行提升-卸载过程模拟。基于分析结果可知，在提升过程中，南北指廊结构在提升阶段最大下挠值87.0mm，提升到位、提升器卸载后最大下挠值87.1mm，小于规范要求的L/400=38600/400=96.5mm，满足安全提升的要求。对47根构件进行替换加固后，整个提升及卸载过程中杆件最大应力比0.807（卸载后最大应力比0.251），小于规范要求的0.83，满足提升要求。图10给出了卸载后集散区竖向变形图和应力图。

(a)竖向变形图

(b)应力图

图10 南北指廊卸载过程的变形图和应力图

3.2.3 中心区提升验算

（1）中心区北半区

与集散区相同，中心区北半区屋盖钢结构也是采用分段整体提升，D1～D5部分一起验算，有限元模型如图8（c）所示。经过分析，与吊点相连的杆件按照设计截面采用的话，在提升过程中其应力较大，最大值为285N/mm2。为了避免提升过程中，吊点区域杆件的局部破坏，对应力较大的杆件截面放大，在进行提升-卸载过程模拟。基于分析结果可知，中心区结构北半区在提升阶段最大下挠52.9mm，卸载后最大下挠13.6mm。小于规范要求的L/400=37200/400=93.0mm，满足安全提升的要求。对中心区北半区的12根构件进行替换加固后，整个提升及卸载过程中杆件最大应力比0.803（卸载后的杆件最大应力比0.264），小于规范要求的0.83，满足提升要求。该区域由于跨度较大，提升及卸载工况下结构都存有一定的下挠，分区间对口补杆焊接施工时利用临时支撑顶起固定。

(a)竖向变形图

(b)应力图

图11 中心区北半区卸载过程的变形图和应力图

（2）中心区南半区D6～D8

中心区南半区屋盖钢结构采用累积整体提升施工工艺。将D6～D8提升到设计标高后一起验算，有限元模型如图8（c）所示。经过分析，与吊点相连的杆件按照设计截面采用的话，在提升过程中其应力较大，最大值为280N/mm2。为了避免提升过程中，吊点区域杆件的局部破坏，对应力较大的杆件（34根）截面放大，在进行提升-卸载过程模拟。基于分析结果可知，中心区南半区D6～D8在提升阶段最大下挠66.7mm，卸载后最大下挠36.7mm。小于规范要求的L/400=37200/400=93.0mm，满足安全提升的要求。对中心区南半区D6～D8的34根构件进行替换加固后，整个提升及卸载过程中杆件最大应力比0.791（卸载后的杆件最大应力比0.5），小于规范要求的0.83，满足提升要求。

(a)竖向变形图

(b)应力图

图12 中心区南半区卸载过程的变形图和应力图

（3）中心区南半区D9

中心区南半区屋盖钢结构采用累积整体提升施工工艺。将D6～D8提升到设计标高后一起验算，有限元模型如图8（d）所示。经过分析，与吊点相连的杆件按照设计截面采用的话，在提升过程中其应力较大，最大值为296N/mm2。为了避免提升过程中，吊点区域杆件的局部破坏，对应力较大的杆件（33根）截面放大，在进行提升-卸载过程模拟。基于分析结果可知，中心区结构D9在提升阶段最大下挠114mm，卸载后最大下挠40.2mm，最大下挠为悬挑处结构的下挠，建议提升到位后利用顶升工艺或者硬性支撑将结构下挠恢复以保证分区间的后补杆件的安装。对中心区结构D9的33根构件进行替换加固后，整个提升及卸载过程中杆件最大应力比0.792（卸载后的杆件最大应力比为0.274），小于规范要求的0.83，满足提升要求。

(a)竖向变形图

(b)应力图

图13 中心区南半区D9卸载过程的变形图和应力图

4 结语

本文基于依托于海口新海滚装码头客运综合枢纽站，对其钢网架+钢桁架屋盖结构体系进行整体提升施工模拟分析，主要结论如下：

（1）基于屋盖钢结构伸缩缝及提升高度的不同，制定了屋盖分区提升的施工方案。

（2）采用有限元软件进行施工过程的模拟分析。对吊点处杆件进行加强处理，避免应力集中引起导致吊点处杆件先破坏。加强后的屋盖钢结构进行整体提升过程模拟，四个分区的最大竖向挠度分别为73.6mm、87.0mm、66.7mm，均小于L/400；最大应力比分别为0.791、0.803、0.791，小于规范规定的0.83的要求，满足提升要求。

（3）结构安装完成，进行卸载，并补全吊点处杆件，四个分区屋盖钢结构在自重荷载作用下的最大竖向变形分别为76mm、87.1mm、36.7 mm，最大竖向应力比分别为0.206、0.251、0.5。可见，卸载后，屋面钢结构整体变形小，满足设计要求；而且，结构杆件应力均在弹性范围内且有较大的安全储备。

参 考 文 献

[1]刘西拉.结构工程学科的现状与展望[M].北京:人民交通出版社，1997.

[2]董石麟.中国空间结构的发展与展望[J].建筑结构学报，2010，31(6)：38-51.

[3]董石麟，邢栋，赵阳.现代大跨空间结构在中国的应用于发展[J].空间结构，2012，18(1)：3-16.

[4]丁艺杰.某大跨度钢结构施工过程模拟与检测研究[D].西安:西安建筑科技大学，2018.

[5]罗永峰.建筑钢结构施工力学原理[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

[6]程浩，苏铁斌，邹义任.大跨度钢网架与钢桁架组合结构整体提升技术[J].钢结构，2014，29(2)：57-61.

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