大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋架整體提升支架選型的研究與應(yīng)用

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

1 概述

上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)上海科技宇航有限公司大修機(jī)庫(kù)工程大廳屋蓋鋼結(jié)構(gòu)單跨跨度156.8 m，進(jìn)深79.7 m。屋蓋結(jié)構(gòu)為網(wǎng)架+桁架的組合結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用3 層斜放四角錐鋼網(wǎng)架，網(wǎng)架高度7 m；機(jī)庫(kù)大門處屋蓋采用焊接H型鋼截面桁架，桁架高度13.8 m。屋蓋下弦支承于周邊混凝土柱上，網(wǎng)架和桁架構(gòu)件總質(zhì)量約2 850 t。

2 整體提升支架初步設(shè)想

鋼結(jié)構(gòu)整體提升技術(shù)被廣泛應(yīng)用在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的提升施工技術(shù)中，但在整體提升支架的選型上，仍普遍存在一定缺陷[1]。

整體提升吊點(diǎn)支架的常規(guī)做法為：在大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋架四周的原結(jié)構(gòu)立柱上設(shè)置懸挑鋼平臺(tái)，在鋼平臺(tái)上放置液壓提升器及液壓泵源系統(tǒng)等設(shè)備。此種提升支架的做法，在提升時(shí)原結(jié)構(gòu)立柱受到偏心力的作用，承受較大的彎矩影響，對(duì)原結(jié)構(gòu)立柱的裂縫控制極其不利，往往需要對(duì)原結(jié)構(gòu)立柱進(jìn)行一定的補(bǔ)強(qiáng)[2]。

在本次大修機(jī)庫(kù)大廳提升支架設(shè)計(jì)時(shí)，希望采取對(duì)稱設(shè)置提升支架的方式，來解決原先提升支架方案中結(jié)構(gòu)柱偏心受力的問題。

3 整體提升支架的選型

3.1 建立計(jì)算模型

大修機(jī)庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)屋下的支承混凝土柱截面形式為1 800 mm×1 200 mm（1 000 mm），桁架兩側(cè)支撐混凝土柱截面形式為2 500 mm×2 500 mm空心柱（壁厚500 mm），立柱高度30 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。

計(jì)算機(jī)建模采用ANSYS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。提升吊點(diǎn)采用鋼絞線支座形式。鋼屋架整體提升計(jì)算荷載為3 070 t，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.35，風(fēng)荷載考慮8級(jí)風(fēng)，B類地貌[3]。屋架提升過程中風(fēng)荷載通過柱頂提升支架結(jié)構(gòu)傳遞給混凝土柱。先不考慮立柱支撐的水平鋼支撐。

3.2 支座反力計(jì)算

機(jī)庫(kù)大廳共有24 根混凝土立柱，現(xiàn)擬選用其中16 根立柱作為提升吊點(diǎn)。

各提升吊點(diǎn)采用模擬實(shí)際鋼絞線的支座形式。利用計(jì)算軟件模擬計(jì)算模型實(shí)際提升過程中鋼絞線根數(shù)對(duì)反力的影響，支座反力統(tǒng)計(jì)的工況即為結(jié)構(gòu)自重工況[4]。選取幾個(gè)反力較大的吊點(diǎn)作為計(jì)算依據(jù)，鋼結(jié)構(gòu)屋架最大反力和位移均位于桁架部位（圖1）。

3.3 網(wǎng)架提升支架選型

根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，在柱頂設(shè)置門式鋼架，在鋼架頂端兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置的提升油缸及鋼絞線，組成柱頂對(duì)稱提升支架。

3.4 桁架提升支架選型

桁架位于4 個(gè)空心柱之間，無法采用對(duì)稱提升支架。桁架柱在屋蓋網(wǎng)架自重作用下提升最大荷載約為550 t，考慮桁架自重較大，常規(guī)的懸挑支架對(duì)結(jié)構(gòu)立柱影響較大，擬增加斜向支撐減少桁架對(duì)結(jié)構(gòu)立柱偏心彎矩的影響，如圖2所示。

圖1 網(wǎng)架對(duì)稱提升支架立面示意

圖2 桁架提升支架立面示意

4 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1 相對(duì)剛度驗(yàn)算

由于本次整體提升的鋼結(jié)構(gòu)屋架為桁架+網(wǎng)架的組合結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)的整體剛度不同，在整體提升時(shí)，易出現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)間的位移不同，并且提升過程中不同提升點(diǎn)之間由于相對(duì)位移高差會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體提升產(chǎn)生較大影響。故首先需對(duì)各提升吊點(diǎn)間的相對(duì)剛度進(jìn)行驗(yàn)算[5]。

以發(fā)生位移的支座點(diǎn)的位移為橫坐標(biāo)軸，以該位移下相應(yīng)支座點(diǎn)的支座反力為縱坐標(biāo)軸，做位移-荷載曲線，即為兩支座之間的相對(duì)剛度曲線。相對(duì)剛度的統(tǒng)計(jì)采用方法：給某一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)（0 mm，5 mm）的位移，統(tǒng)計(jì)當(dāng)此點(diǎn)發(fā)生位移后，周邊受影響較大的提升點(diǎn)，并且統(tǒng)計(jì)這個(gè)點(diǎn)相對(duì)于影響較大的點(diǎn)的相對(duì)剛度。統(tǒng)計(jì)在其余點(diǎn)都保持同一個(gè)水平面的情況下，保持結(jié)構(gòu)安全的最大提升點(diǎn)位移。

現(xiàn)根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果，分別截取網(wǎng)架、桁架內(nèi)相對(duì)剛度較大的提升吊點(diǎn)如圖3、圖4所示。

圖3、圖4中曲線數(shù)據(jù)反映出，桁架1#網(wǎng)架提升吊點(diǎn)7a#相對(duì)剛度最大，整體提升時(shí)需以1#、2#提升吊點(diǎn)的載荷作為荷載控制依據(jù)[6]。

4.2 最大提升位移統(tǒng)計(jì)

圖3 提升點(diǎn)1相對(duì)于其余點(diǎn)相對(duì)剛度

圖4 提升點(diǎn)7a相對(duì)于其余點(diǎn)相對(duì)剛度

通過計(jì)算機(jī)模擬將所有提升吊點(diǎn)都調(diào)平在同一水平面上以后，統(tǒng)計(jì)某一提升點(diǎn)相對(duì)于這一水平面上的最大位移。當(dāng)發(fā)生此最大位移時(shí)，必須保證結(jié)構(gòu)在1.35dead+1.4live（live表示此點(diǎn)的最大位移）組合下承載能力滿足要求。各個(gè)提升最大位移如表1所示。

表1 各個(gè)提升點(diǎn)最大位移

4.3 結(jié)構(gòu)立柱驗(yàn)算

4.3.1 網(wǎng)架區(qū)域結(jié)構(gòu)立柱

網(wǎng)架風(fēng)荷載取值為Px1=28.8 kN，Py1=56.7 kN。柱子自身風(fēng)荷載近似看成線荷載，風(fēng)壓高度變化系數(shù)取20 m處平均風(fēng)壓系數(shù)：柱子內(nèi)力為2 393 kN ，x向矩為2 890 kN·m，y向彎矩為1 473 kN·m ，經(jīng)驗(yàn)算，網(wǎng)架下混凝土立柱受力屬于大偏壓。

經(jīng)驗(yàn)算，承載能力為：5 157 kN＞2 393 kN，彎矩承載能力為 8 625 kN·m＞2 899.6 kN·m，滿足原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。經(jīng)計(jì)算，不會(huì)出現(xiàn)裂縫情況。

4.3.2 桁架區(qū)域結(jié)構(gòu)立柱

網(wǎng)架風(fēng)荷載x向?yàn)?8.8 kN，y向?yàn)?6.7 kN。柱子自身風(fēng)荷載近似看成線荷載，風(fēng)壓高度變化系數(shù)取20 m處平均風(fēng)壓系數(shù)，柱子內(nèi)力為7 030 kN ，x向彎矩為2 687 kN·m，y向彎矩為18 547 kN·m，承載能力滿足驗(yàn)算。

y向彎矩計(jì)算近似認(rèn)為當(dāng)受拉側(cè)鋼筋屈服時(shí)，受壓側(cè)混凝土壓碎，不考慮壓側(cè)鋼筋的作用，考慮此時(shí)的平均應(yīng)力，彎矩為76 758 kN·m＞18 547 kN·m，抗彎承載力滿足。

經(jīng)計(jì)算：0.052 mm＜0.2 mm不會(huì)出現(xiàn)y向裂縫情況。x向彎矩為85 969 kN·m＞2 687 kN·m，抗彎承載力滿足。經(jīng)計(jì)算不會(huì)出現(xiàn)x向裂縫。

4.4 提升支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.4.1 桁架柱頂提升支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)設(shè)計(jì)圖幾何尺寸，利用ANSYS有限元軟件，建立桁架柱柱頂提升支架模型，物理參數(shù)為：拉壓彈性模量2.06×1011Pa、泊松比0.3、密度7.85×103kg·m3。

桁架柱在屋蓋網(wǎng)架自重作用下提升最大荷載約為550 t，取荷載系數(shù)為1.4，桁架柱上的設(shè)計(jì)荷載為770 t。以面荷載的形式施加在4 塊油缸墊板上，約束4 根柱子底面所有線的X、Y、Z位移。

根據(jù)計(jì)算機(jī)模型模擬計(jì)算（圖5、圖6），得出桁架柱柱頂結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為270 MPa，出現(xiàn)在斜撐桿與立柱相交的個(gè)別節(jié)點(diǎn)上，柱頂提升支架最大結(jié)構(gòu)變形為7.6 mm。

圖5 整體應(yīng)力分布情況（MPa）

圖6 桁架柱柱頂結(jié)構(gòu)變形分布情況（mm）

4.4.2 網(wǎng)架柱頂提升支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)設(shè)計(jì)圖幾何尺寸，利用ANSYS有限元軟件，建立網(wǎng)架柱柱頂提升支架模型，物理參數(shù)為：拉壓彈性模量2.06×1011Pa、泊松比0.3、密度7.85×103kg/m3。

網(wǎng)架柱在屋蓋網(wǎng)架自重作用下每個(gè)吊點(diǎn)提升最大荷載約為100 t，取荷載系數(shù)為1.4，網(wǎng)架柱上的設(shè)計(jì)荷載 140 t。由于是柱頂兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置提升吊點(diǎn)，建模時(shí)，每個(gè)柱頂模型中考慮了2 個(gè)提升點(diǎn)，總荷載為280 t，以面荷載的形式施加在2 塊油缸墊板上，約束4 根柱子底面所有線的x、y、z位移。

根據(jù)計(jì)算機(jī)模型模擬計(jì)算，得出周邊柱及后排柱柱頂結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力約221 MPa，出現(xiàn)在立柱與側(cè)面的筋板的焊縫底端的個(gè)別節(jié)點(diǎn)上，柱頂提升支架最大變形為2.7 mm。

4.4.3 驗(yàn)算結(jié)論

從上述驗(yàn)算結(jié)論可知，最大值應(yīng)力都屬于局部擠壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的最大變形也在可控范圍之內(nèi)。此提升支架設(shè)計(jì)方案安全可行，可以滿足施工要求。

5 實(shí)踐效果

大修機(jī)庫(kù)工程鋼結(jié)構(gòu)屋架順利進(jìn)行完成了整體提升，原計(jì)劃14 h完成的整體提升任務(wù)，僅耗時(shí)12 h即將鋼結(jié)構(gòu)屋架提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高，在提升過程中，所有提升支架結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)任何不利情況，并順利完成了提升支架部位永久桿件置換工作。提升完成后，對(duì)混凝土立柱的檢查后未發(fā)現(xiàn)一條結(jié)構(gòu)裂縫。

經(jīng)過大修機(jī)庫(kù)工程現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明，該對(duì)稱提升支架形式完全可以勝任如此高質(zhì)量、大跨度桁架+網(wǎng)架組合結(jié)構(gòu)的整體提升施工要求，永久結(jié)構(gòu)立柱也未出現(xiàn)任何裂縫等結(jié)構(gòu)損傷情況。為今后同類型工程的鋼結(jié)構(gòu)屋架整體提升支架的設(shè)計(jì)、選型提供了有益參考。