高空大跨度拱形網架吊裝方案分析與施工

樊永愛，李大勇

（江蘇省礦業工程集團有限公司，江蘇 徐州 221131）

高空大跨度拱形網架吊裝方案分析與施工

樊永愛，李大勇

（江蘇省礦業工程集團有限公司，江蘇 徐州 221131）

文章分析網架吊裝過程中的受力狀態，驗算吊裝過程的可行性。通過對網架吊裝過程中的受力分析，確定了吊裝方案，達到了預期目標，提高了工作效率，確保了施工安全。

拱形網架；受力分析；網架吊裝

隨著建筑對空間跨度要求的日益提高，網架作為一種大跨度屋蓋結構已經被廣泛運用到建筑工程中。這種結構的連接方式依靠鋼管原本的受力，通過螺栓球將鋼管連接成相互支撐的結構體系以達到系統的穩定。

1 工程概述

1.1 工程背景

某儲煤場網架工程，采用螺栓球網架結構。結構形式為正放四角錐拱形網架（見圖1、圖2），其東西方向長201m，南北方向長80m，投影面積約為16080㎡，南北方向支點兩側標高分別為-4.1m，21.55m，高低差約為25.65m，屬于存在高低差的大跨度網架結構。

圖1 網架平面布置圖

圖2 網架立面示意圖

此網架兩側非完全對稱導致了結構剛度的不均勻，增加了施工難度。為保證結構順利施工，運用ANSYS有限元分析軟件模擬和分析吊裝方案，并獲得結構的應力、位移情況，為安全施工、精確施工提供理論支持和合理建議。

1.2 此工程施工的難點與重點

難點與重點主要有：①吊裝工作難以實施。本網架結構跨度大，南北方向存在高低差，網架的整體噸位較大，成為施工過程中的一個難點；②施工工期緊，當地的氣候條件較為復雜，為了能在保證安全與質量的同時加快工期進展，這便要求此工程改進施工的吊裝方案。

1.3 大跨度網架施工中存在的問題

盡管目前大跨度網架的施工技術已經相當成熟，但對于大跨度網架的吊裝仍然存在不少問題。通過查閱資料，現將網架吊裝中固有的問題總結如下：①吊點的位置與數量難以確定。大跨度鋼結構的吊裝施工皆需要進行驗算，選取吊裝方案、確定吊點的位置與數量都需要通過計算來確定，因此應分析網架吊裝時位移及受力，確定吊裝的吊點；②網架結構受力受動荷系數的影響。網架吊裝的過程十分緩慢，理論上，結構受吊裝提升的影響較小。但是這一過程也并不是全為勻速緩慢抬升，結構抬升的速率產生變化而影響到結構的受力，因此這一影響也必須納入重點考慮的范疇。通過查閱資料，可以將靜力分析的結果乘以1.2至1.4的動荷系數以此達到研究的要求；③控制吊裝過程中各機械的同步。鋼網架吊裝施工中控制各個吊點的速率使之達到一致是衡量吊裝安全穩定性的重要指標。如果吊裝提升的過程中未能很好的控制每個吊點抬升的速率，則有可能影響結構的位移與內力，造成結構失穩；④在鋼網架吊裝過程中對產生的耦合作用進行控制。耦合效應是指兩個或兩個以上子系統通過中介環節的關聯和相互作用時，既有作用與反作用方式，又有吸引和排斥而形成更大系統的現象。網架結構進行吊裝抬升的過程中，會產生剛體位移，結構受力由于結構的彈性形變與剛體位移的耦合作用而產生較大的變化。ANSYS有限元軟件只能分別對結構的靜力、動力進行分析，卻無法將這二者結合來分析，這使施工吊裝的過程中有了明顯的不足。由于網架產生了較大的剛體位移，網架的剛度矩陣同時會發生變化，靜力、動力不能合起來運用有限元軟件進行分析。因此采用分離網架起吊，首先運用一定的速率將網架進行起步，起步過程中采用分布加載的辦法，使抬升進行中只有彈性形變卻不產生剛性位移，從而可以用ANSYS有限元法對網架彈性形變進行分析，進而保障網架達到設計荷載時的起吊和移動的安全性。只要網架的移動速率不是很大，便能保證網架抬升中只產生剛體位移，不會產生彈性形變，同樣用ANSYS有限元軟件分析網架的剛體位移。將網架的起步吊裝通過施工工藝分成兩個過程，使彈性形變與剛體位移不會同時作用于網架之上，這便不會產生耦合作用。

2 大跨度網架的施工

2.1 吊裝方案的比選

目前，隨著網架工程施工技術的成熟，網架的施工與安裝方法主要有：①高空散裝法是指在高空中將每個網架桿件通過節點進行連接的施工方法。這種方法主要應用于桿件的施工。要求施工區域下方搭設滿堂腳手架，形成工作平臺，施工人員在平臺上完成安裝作業。其缺點是搭設滿堂腳手架使得工期變長而且鋼管材料耗費較多；優點則為這種傳統的安裝方式大大地提升施工人員安全保護力；②高空滑移法是將每個桿件在地面進行拼接，形成滑移單元。將滑移單元選取吊車吊到設置好的滑移軌道上，然后進行拼裝。根據現場實際情況用可以移動的滑移腳手架代替滿堂腳手架。此種施工工藝的缺點是需要長時間占用垂直運輸機械，由于高空拼接難度較大，施工速度也會變慢；優點則是大大節約了搭建滿堂腳手架的時間和材料成本；③整體提升法是將網架在地面或者平臺上拼裝完畢，利用吊裝機械垂直或水平吊裝在需要安裝的部位，最后進行調整和固定。此種施工方法缺點為施工難度大，施工場地和吊裝網架重量容易被限制；優點則是由于是地面進行網架的拼裝，可以縮短施工周期，提高施工效率；④分條分塊吊裝法是指在考慮施工現場的工況條件后，對網架采取地面拼接成塊，然后于空中將拼接好的塊進行吊裝、安裝、對接，這樣可以減少高空作業，縮短施工周期。缺點是分塊吊裝在高空再連接時不易操作，尤其是拱形結構。

項目結合工程周圍環境的特點，綜合分析幾種施工工藝的優點與缺點后，從經濟性、安全性及質量的因素出發考慮，擬采取在地面先拼裝中間兩條軸線間的一跨再進行下一步作業，即采用地面拼裝-整體吊裝-高空向兩邊擴展的施工方案。這種施工方法的優點為網架起步跨在地面作業，施工操作方便，由跨中開始向兩端施工，保證了施工進度，提高了施工安全性，縮短了工期。同時不需進行腳手架的搭設，節約了人工與材料，降低了工程費用。

2.2 吊裝理論計算

（1）吊車選擇。起步跨總重約77t，擬定選擇5臺吊車進行抬吊：130t汽車吊3臺，50t汽車吊2臺。5臺汽車吊均勻分配重量，即每臺吊車可分配約15.4t的重量。1臺汽車吊在拱中最高點起防傾覆作用。根據以上情況進行鋼絲繩的選擇及吊裝驗算。

（2）吊裝驗算。根據現場情況可以使用CAD軟件繪制出下圖吊裝模擬示意圖（見圖3、圖4）。對吊車選擇的驗算，得出結論可滿足施工安裝的要求，結構也能保持穩定。

圖3 網架安裝示意圖

圖4 吊裝模擬示意圖

3 施工的創新點

通過對某儲煤場網架的施工吊裝的研究，得出本次施工的創新點在于：①將大量的高空作業轉移到地面，縮短了網架施工的時間，提高了工作效率；②存在南北高低差的大跨度網架吊裝的旋轉受力，通過計算受力分析，同時經實際觀測，確定了日后同樣工程的可行性；

4 結束語

某儲煤場網架工程，基本按照模擬預期的結果完成施工，驗證了此種吊裝方案的可行性。通過模擬結果可以看到，當網架吊裝處于一個相對緩慢的過程時，網架的旋轉受力對此網架結構的影響較小；倘若提升速度較快，則網架受到的旋轉力可以影響網架的結構，因此緩慢進行吊裝提升是保障施工安全性的一個必要條件。文章吊裝方案對指導日后類似的工程、不斷創新尋求更為安全、快捷的施工工藝具有重要的意義。在滿足網架施工與使用的條件下，更為安全與經濟的進行施工作業，大大縮短了工期，節省了財力，獲得了可觀的經濟效益。

[1]鄭永康.高空大跨空間結構施工技術應用與研究[D].南昌大學,2011

TU7

A

2096-2789（2016）12-0149-02

樊永愛（1981-），女，陜西渭南人，工程師，研究方向：土建工程技術。

李大勇（1967-），男，河北承德人，高級工程師，研究方向：土建工程技術。