大跨度鱼腹式钢桁架分区拼装滑移施工过程分析.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 21 期 2023 年 11 月Vol.54 No.21 Nov.20232570大跨度鱼腹式钢桁架分区拼装滑移 施工过程分析邓开慧（中铁建设集团有限公司，100049，北京）摘要：针对大跨度鱼腹式钢桁架结构采取的滑移施工方案，为了确保滑移施工过程的安全，进行了大跨度鱼腹式钢桁架结构滑移施工过程的数值模拟与分析。首先分析大跨度鱼腹式钢桁架结构采取的滑移施工的特点，将滑移过程进行施工步拆分，并对不同施工步进行了模拟和对比分析；其次在分析结构施工过程受力特点的基础上，重点分析了滑移过程中的最不利工况及滑移施工完成后的工况；最后总结对比了此钢桁架结构滑移施工不同施工步下的结构变形和应力反应。结果表明：大跨度鱼腹式钢桁架结构采取滑移施工时，通过分段拼装滑移的施工步拆分，可以有效减小结构施工过程中的内力和变形，滑移介于 CS5CS6 之间是滑移施工的最不利工况分段，分析结果可为其设计与施工提供参考。关键词：大跨度；鱼腹式钢桁架；滑移施工中图分类号：TU 74 文献标志码：A 文章编号：10004726(2023)21257004analysis of the sectionalizeD assembly anD sliDing construction process of large span fish bellieD steel structures DENG Kai-hui(China Railway Construction Group Co.Ltd.,100049,Beijing,China)abstract:In view of the sliding construction scheme adopted for the largespan fishbellied steel truss structure,the numerical simulation of the sliding construction process of the largespan fishbellied steel truss structure is carried out for the safety of the sliding construction process.Firstly,according to the characteristics of sliding construction adopted by the largespan fishbellied steel truss structure,the sliding process is divided into construction steps,and the different construction steps are analyzed,simulated and compared.Secondly,based on the analysis of the stress characteristics of the structure during construction,the most unfavorable working conditions during the sliding process and the working conditions after the sliding construction are analyzed.Finally,the structural deformation and stress response of the steel truss structure under different construction steps are summarized and compared.The results show that the internal force and deformation during the construction of the largespan fishbellied steel truss structure can be effectively reduced by dividing the construction steps of sectional assembly and slippage.The slippage between CS5 and CS6 is the most unfavorable section of slippage construction.The analysis results can provide a reference for its design and construction.Keywords:largespan;fish belly steel structure;sliding construction近年来，随着大跨空间结构的高速发展，许多国内外研究学者和工程师在大跨空间结构的设计和施工技术方面做了许多工作，研究成果丰富14。众多新型空间结构形式在建筑行业的应用，有力推动了施工安装技术的发展。空间结构形式与施工安装技术不断交替发展，在自身发展的同时也相互推动着对方的发展5。大跨空间结构的施工安装方法可分为两类：一类是直接在高空对杆件拼接安装；另一类是在地面拼接安装杆件，然后安装就位。当前常用的方法有高空散装法、分块或分条安装法、高空滑移法、整体吊装法、整体提升法、整体顶升法及各种方法的组合施工方法等6。高空滑移法是指将划分为规则的条状或块状网架单元，通过滑轨牵引到设计位置的施工方法。它包括单条滑移法和逐条累积滑移法。单条滑移法是每个滑移单元单独滑移，就位后再拼装成整体；逐条累积滑移法是先完成滑移单元的拼装，再整体滑移至设计位置。后者比前者具有更高的效率，能够节省工期。针对京沈客运专线首发站北京朝阳站站房 大收稿日期：20230925作者简介：邓开慧（1983），男，江西九江人，高级工程师，博士，e-mail:.2571邓开慧：大跨度鱼腹式钢桁架分区拼装滑移施工过程分析跨度鱼腹式倒三角曲面管桁架钢屋盖工程结构，对大跨度空间桁架钢结构滑移施工过程的力学性能进行研究分析。主要研究采用滑移施工区域的空间桁架钢结构的滑移施工过程内力，分析其内力变化特征，为结构形式类似的大跨度钢结构滑移施工分析提供参考。1 大跨度鱼腹式钢桁架滑移施工方案1.1 施工方案选择该车站房屋盖结构为大跨度鱼腹式倒三角曲面管桁架钢结构，站房钢屋盖投影面积为 247 m 180 m。其中，中央站房区长度 196 m，西站房长51 m。站房屋盖为组合式桁架结构体系，横向跨度达180 m，通过在中间设置斜向的钢管柱作为支撑，将其分为 18 m+36 m+72 m+36 m+18 m 五部分，其中端部 18 m 为悬挑桁架。每个组合桁架沿中轴线对称分布，中部屋盖组合桁架呈人字形，中间高耸两边上翘，屋脊标高 45.100 m，屋盖檐口标高 36.600 m。组合桁架内部包含纵横向单片鱼腹式管桁架（图 1）。图 1 正立面示意1.2 施工方案通过不同施工方案对比分析，确定将钢结构屋盖划分为提升区和滑移区，即部分提升与部分滑移相结合的施工方法，如图 2 所示。该方案将中央站房采用提升施工，西站房采用滑移施工，中央站房下的混凝土夹层甩项，等屋盖提升完成后再施工。通过此方法解决了楼面不能上大型起重设备的问题，尽可能减少高空作业，是适合本工程施工的最佳方案。滑移区平面尺寸为51 m180 m，滑移结构共分为 10 个分块，其中分块 3 分块 10 在拼装平台用 M125/75 塔式起重机拼装后累积滑移至设计位置，分块 1 和分块 2 在原位吊装。滑移方案的布置如图 3 所示，滑移轨道沿横向（南北方向）布置为 4 条，间距分别为 1.5 m、22 m和 1.5 m，滑移轨道顶部标高为 26.600 m。轨道梁采用 H 型钢，可分为 9 m 和 12 m 两种跨度。间隔 1.5 m的轨道梁用 L755 角钢连接，每隔 3 m 布置 1 道，间隔 22 m 的轨道梁用 HN7003001324 型钢连四区（提升）一区（提升）二区（提升）二区（滑移）图 2 施工方案滑移分区系，共布置4道。轨道梁采用1.5 m1.5 m的格构柱支撑。滑轨支架拼装平台塔式起重机M125/75图 3 滑移方案2 滑移施工划分与过程模拟分析2.1 施工步划分根据施工方案，将滑移施工过程简化为 10 个主要施工阶段，以此模拟整个滑移施工过程。分析步与工况对应见表 1。表 1 滑移施工步划分施工步工况备注1CS1分块 10 滑移2CS2分块组合体 1 滑移3CS3分块组合体 2 滑移4CS4分块组合体 3 滑移5CS5分块组合体 4 滑移7CS6分块组合体 5 滑移8CS7分块组合体 6 滑移9CS8分块组合体 7 滑移10CS9原位拼装分块 211CS10原位拼装分块 12.2 数值模拟与分析在结构计算中，运用“生死单元法”（Model 建 筑 技 术第 54 卷第 21 期2572Change）7-9对钢结构施工整个过程进行分析，模拟结构在整个滑移施工过程中内力和变形的变化情况。该方法在建模时建立完整的结构模型，包括全部结构的节点和单元。通过将施工过程中不参与计算的部分“杀死”，或将参与计算的部分“激活”，模拟随施工进度的推进导致结构构型的变化。被“杀死”的单元没有刚度和自重，被“激活”的单元则恢复其应有的刚度和自重效应。被“激活”的单元建立在结构变形后的几何构型上，新产生的内力与位移和以前各阶段重力荷载产生的内力与位移 相叠加。重复上述步骤，可以模拟在整个施工过程中结构构件内力与变形的发展过程。由于生死单元法模拟过程中存在单元漂移现象，并不能适用于所有结构的施工过程模拟，因此，在采用生死单元法进行分析，探讨其是否适用于鱼腹式空间结构的滑移施工的模拟与分析。根据结构的整体模型和参数设置，再结合滑移施工方案，使用 ABAQUS 有限元软件建立滑移施工模型如图 4 所示，使用该模型对本工程屋盖结构施工三区的滑移施工过程进行模拟分析。图 4 滑移施工结构模型由于滑移模拟施工步的模拟结果较多，这里仅对滑移过程中最不利的工况和滑移结束后的施工步（即 CS10 工况）进行分析。通过模拟分析计算，当滑移进行到 106 m 时，轨道梁的弯矩接近最大值1162 kNm，此时滑移介于 CS5CS6，是滑移施工的最不利工况。2.2.1 变形分析当滑移施工进行到其最不利工况时，结构最大 变 形 为 51.83 mm，位 于 结 构 角 点 处，整 体 的变形基本保持在 10 mm 之内；滑轨的最大变形为11.41 mm，在轨道梁的连接梁跨中位置，变形较大区域位于与结构中部连接的区域，变形基本保持在8 mm 内。当滑移施工进行到 CS10 时，滑移分区结构已经安装完成，通过变形云图可以看出结构最大变形为 50.68 mm，位于结构角点处，而整体的变形基本保持在 10 mm 之内；滑轨的最大变形为 11.14 mm，位于与结构中部连接的区域，整体的变形基本保持在 5 mm 内。2.2.2 应力分析当滑移施工进行到最不利工况时，结构最大压应力为 50.07 MPa，最大拉应力为 28.77 MPa，最大应力的分布与CS10工况相同，也是出现在悬挑周边；此时滑轨处的最大应力为 142.81 MPa。当滑移施工进行到 CS10 时，结构的最大压应力为 47.51 MPa，最大拉应力为 29.07 MPa，最大位置在结构两侧角点悬挑部位，整体应力沿着悬挑周边比较大，而内部结构应力则比较小；滑轨所受的最大应力为 210.83 MPa。基于以上分析，并结合有限元模拟结果，表 2对滑移施工模拟全过程的结果进行了汇总，图 5 与图 6 给出了滑移施工过程中结构的变形与应力。表 2 模拟结果步骤工况最大竖向变形/mm最大应力/MPa结构滑轨支撑结构滑轨支撑1CS156.2310.4254.8694.612CS253.6610.4252.77106.723CS353.0510.7847.88152.234CS456.8911.0148.9195.275CS551.2611.5846.32167.646CS652.6610.5546.86147.737CS756.0610.2945.63143.318CS858.6510.9748.27169.639CS951.4211.1447.89178.7610CS1050.6811.1447.57210.83 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11施工步竖向位移/mm010203040506070结构滑轨支撑图 5 滑移施工竖向变形变化由图 5 可知，结构在滑移过程中的变形稳定在5060 mm，滑轨的变形也保持在 10 mm 左右，都满足规范要求。由图 6（a）可知，在滑移过程中，结构的最大应力呈现出逐步减小的趋势，最大为 54.86 MPa，最2573邓开慧：大跨度鱼腹式钢桁架分区拼装滑移施工过程分析24021018015012090603001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11结构滑轨支撑施工步最大应力/MPa（a）1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11403020100102030405060拉应力压应力施工步最大应力/MPa（b）图 6 滑移施工应力变化（a）Mises 应力变化；（b）轴向应力变化小为47.57 MPa；而滑轨的最大应力基本上是随施工进行而增大的，从开始的94.61 MPa增加到最终的210.83 MPa。图 6（b）给出了结构杆件最大轴向应力的变化图，压应力随施工进行呈降低趋势，从 54.79 MPa降低到 47.51 MPa，拉应力在 30 MPa 上下波动。通过分析，结构的应力远小于 Q345C 钢材的屈服强度，且变化范围不大，满足规范的要求。3 结论对朝阳站站房大跨度钢屋盖管桁架结构滑移施工区进行了数值模拟和受力特征分析，采用“生死单元”法模拟分区滑移施工过程，对施工中结构的受力特征与变形规律进行分析，得出以下结论。（1）大跨度鱼腹式管桁架结构采用分段滑移施工，可以有利减小滑移施工的难度，并降低滑移施工的结构反应，滑移介于 CS5CS6 是滑移施工的最不利工况分段。（2）大跨度鱼腹式管桁架结构的分区滑移施工过程模拟分析时，采用“生死单元法”没有出现单元漂移现象，可以很好地模拟此类结构分区滑移施工过程，将滑移轨道与主体结构一起考虑更加精确其相互影响，对滑移轨道的变形与内力进行分析，可以有效指导滑移轨道的设计与施工。（3）通过滑移施工过程不同分析步的对比分析，得到了滑移施工过程中不同施工步下的滑轨及结构最大变形与杆件最大应力，为结构的设计和施工提供参考。参考文献1 崔晓强,郭彦林,叶可明.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究 J.工程力学,2006(5):8388.2 范重,刘先明,胡天兵,等.国家体育场钢结构施工过程模拟分析J.建筑结构学报,2007(2):134143.3 田黎敏,郝际平,王媛,等.世界大学生运动会主体育场结构施工若干关键技术研究 J.建筑结构学报,2012,33(5):915,70.4 王德志,李余鸿,刘意,等.大跨度复杂钢结构吊装施工关键技术分析 J.工程与建设,2020,34(6):11731175.5 史凯庆.大跨度空间拱桁架钢屋盖结构提升施工关键技术 D.广州:华南理工大学,2020.6 周观根,方敏勇.大跨度空间钢结构施工技术研究 J.施工技术,2006(12):8285,92.7 郭彦林,郭宇飞,高巍,等.国家体育场钢结构屋盖落架过程模拟分析 J.施工技术,2006(12):3640,73.8 汪大绥,姜文伟,包联进,等.CCTV 新台址主楼施工模拟分析及应用研究 J.建筑结构学报,2008(3):104110.9 田黎敏,郝际平,陈韬,等.世界大学生运动会主体育场施工过程模拟分析 J.建筑结构学报,2011,32(5):7077.2023 年 第 11 期 要 目请您向当地邮局或本社发行部订阅邮发代号：2-514 定价：5.00 元一起关于车库排风口设置的投诉异形外窗洞口防渗漏施工技术研究房地产开发公司供应商管理体系 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