大跨度平板鋼網屋架結構整體提升施工過程力學分析

王文芳（蘭州石化職業技術學院，甘肅　蘭州730070）

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大跨度平板鋼網屋架結構整體提升施工過程力學分析

王文芳
（蘭州石化職業技術學院，甘肅蘭州730070）

摘要：目前國內建成的鋼網屋架多為曲面結構或網架與桁架的組合結構，施工方法主要采用高空散裝法、分條分塊安裝法、高空滑移法、整體吊裝法等技術。對于場地狹小、施工干擾大、網架跨度大的平板結構鋼網屋架多采用整體提升或頂升法施工，這兩種施工方法的特點是施工功效高、成本低，鋼網屋架區部受力敏感、變形控制難度大。因此采用這兩種方法施工時要對網架結構的施工受力情況進行精確的驗算，對薄弱部位合理的加固，以減小施工變形，以確保施工質量。本文以某客車整備棚平板式鋼網架為工程實例，研究平板結構鋼網屋架整體提升時的吊點設計和施工過程的受力情況，合理的設計了9處提升吊點，計算了施工過程中網架的節點的位移、桿件的受力和應力情況，依據計算結果對薄弱桿件進行更換和加固，最終順利完了鋼網屋架的施工。

關鍵詞：大跨度；平板鋼網屋架；整體提升；力學分析

隨著我國經濟的快速發展，大跨度鋼網屋架在建筑工程中的應用日益廣泛，我國已經建成的鋼網屋架主要用于機場、高鐵車站、工業廠房、大型公共設施等，鋼網屋架也多采用曲面結構或網架與桁架的組合結構，其施工技術可以總結為高空散裝法、分條分塊安裝法、高空滑移法、移動支架安裝法、整體提升或頂升法等［1］，對于結構和施工環境復雜的大型鋼網屋架多采用整體提升或頂升法施工［2-8］，如潮汕機場鋼網架屋蓋、上海虹橋機場東航機庫屋頂網架、上海浦東國際機場A380大修機庫鋼屋蓋、浦東機場波音機庫鋼屋蓋、西飛公司369號飛機總裝廠房鋼網架屋蓋、西安東航維修基地新機庫鋼屋蓋等，均采用了整體提升法施工，整體提升法施工的難點在于如何解決提升設備的同步問題，網架結構的局部受力變形問題。本文以某客車整備棚平板式鋼網架為工程實例，研究采用整體提升施工時的吊點布設，計算各種施工工況下的網架受力變形狀況，然后依據計算結果對網架節點和桿件進行合理的抽換和加固，以保證施工質量和安全。

1　工程概況

某客車整備棚鋼網架為正交正放四角錐平板式網架結構，網架覆蓋面積32330m2，1～15軸、41～68軸為雙層螺栓球網架，16～40軸為三層螺栓球網架（如圖1所示）。桿件選用Q345B，直縫鋼管，螺栓球為45號鋼，高強螺栓選用GB3077中的20MnTiB 或40Cr，封板錐頭為Q345B鋼鍛件，套筒選用Q345B鋼。16～40軸間的三層螺栓球網架長軸長195m，短軸長60m，面積11700m2，網架上弦找坡，自身高度為5.5m，下弦就位標高為+11.300m。網架總重量約為580t，東西兩側為既有鐵道和道路，由于下部存在公路隧道隧道下穿的情況，網架局部跨度達到78m，采用整體提升法施工。

2　整體提升方案設計

16～40軸的三層螺栓球網架跨度大、噸位大、桿件數量、規格眾多，面積達到11700m2，支座為多點不規則布置，且有隧道下穿經過。受工期的限制，東西兩側1～15軸、41～68軸的雙層螺栓球網架已經采用小面積起吊法拼裝完成，而南北兩側受鐵道和道路的限制，無法采用高空滑移和高空散拼法施工，故采用原位拼裝網架后，整體提升法安裝。

采用原位拼裝整體提升法施工的原理是，先在原地面拼裝網架，預留混凝土立柱部分和提升塔架部分的桿件不安裝，然后選擇合理的吊點起吊，逐步提升至設計高度以上，安裝支座及混凝土立柱部位預留的桿件，然后逐步下落網架于混凝土立柱上，最后拆除提升塔架、安裝塔架部位預留的桿件完成安裝。

純平板結構鋼網架屋蓋相比于網架桁架組合屋架，其結構對于區部受力狀態的變化更敏感，提升過程中網架變形控制難度很大，需要對提升工況的網架結構進行精確的驗算，對結構進行合理的加固，以減小施工變形，以滿足網架自身強度、剛度、穩定性等方面的要求。

3　鋼網架吊點設計及施工過程受力檢算

3.1鋼網架吊點設計

根據本工程的特點，吊點設計時考慮以下問題：①由于鋼網架面積大，為平板結構，吊點盡量布設在支座附近，確保吊點受力狀態最接近支座的工作時的受力狀態，以減少桿件更換和加固的數量。②支撐柱為鋼筋混凝土結構，在鋼網屋架提升前施工完成，網架提升時預留混凝土支撐柱部位的桿件不安裝，吊點要避開預留桿件部位。③隧道下穿部位的地基不能設置提升架，對應的鋼網屋架部位不能設置吊點。

考慮以上三個因素，采用門式提升塔架結構（如圖2所示），提升塔架處鋼網架桿件預留不安裝，鋼網架上設置了9處起吊點，在鋼網架E-F側設置4處吊點，分別為D1～D4，在E-D側也設置4處吊點，分別為D6～D9。由于在整備棚東邊跨D3～D4、D8～D9提升點跨度較大，E-E中軸線上設置D5吊點，減小D6～D9吊點的反力。

圖2　鋼網屋架整體起吊圖

3.2鋼網屋架施工過程受力檢算

整個施工過程可分為4個工況，采用空間網架結構分析設計程序對4種工況分別進行受力檢算。第Ⅰ種工況為提升階段，提升吊點可以視為彈性餃接支座，整個網架相當于局部抽空后落在9個彈性餃接支座上，檢算提升點桿件的受力變形情況，依據計算結果對變形較大桿件進行加強；第Ⅱ種工況為提升到位后，補裝因混凝土柱而預留的網架球節點和桿件，整個網架相當于落在9個彈性餃接支座上，此時的荷載較工況Ⅰ增加了預留桿件和節點的自重；第Ⅲ種工況為網架落在16個支撐柱支座上，9個彈性餃接支座不再受力；第Ⅳ種工況為網架落在16個支撐柱上進行加強桿件抽換。

4種工況條件下的計算參數見表1。

工況Ⅰ和工況Ⅱ是鋼網屋架的提升階段，此時網架的支撐點為9個，工況Ⅱ在工況Ⅰ的基礎上安裝了預留混凝土支撐柱處的網架節點和桿件，節點增加了50個，桿件增加了400個；工況Ⅲ、工況Ⅳ為網架回落至支撐柱，此時的支撐點為16個，工況Ⅳ較工況Ⅲ荷載增加了，節點增加了18個，桿件增加了216個。工況Ⅲ和工況Ⅱ的節點、桿件均未發生變化，只是網架結構的支撐點發生了轉化，由9點支撐變為16點支撐。

經過計算，四種工況吊點及支點處反力值見表2，工況Ⅰ和工況Ⅱ為提升階段，D2吊點處的反力最大，兩種工況時的反力分別達到了1048KN和1098KN；工況Ⅲ和工況Ⅳ為網架回落至支撐柱時的狀況，Z8支點處的反力最大，兩種工況時的反力分別達到了1649kN和1942kN。

節點位移計算結果見表3，對比計算結果發現，工況Ⅰ的X、Y、Z向位移最大，其位移值分別為-5.4mm、4.7mm和-49.3mm；這是因為工況Ⅰ中部分吊點處桿件抽空，致使桿件應力集中，發生變形引起位移過大，工況Ⅱ補裝了抽空部分桿件，應力集中現象得到改善，節點位移相對變小。工況Ⅲ和工況Ⅳ只是在更換桿件，節點位移基本無變化。

表1　四種工況計算參數

表2　吊點和支點處反力值

表3　節點位移計算結果

表4　桿件最大應力比計算結果

桿件最大受力及應力比計算結果見表4，工況Ⅰ、工況Ⅱ桿件最大壓力變化較大，最大拉力基本無變化；工況Ⅲ和工況Ⅳ最大拉壓力均無明顯變化，桿件最大應力比為0.98，均小于1，故各種工況中沒有超應力桿件。

為了確保網架結構施工安全，考慮安全系數后，將應力比超過0.9的桿件更換為加強型桿件，計算得出工況Ⅰ中發現應力比大于0.9的桿件多達70條（見表5），工況Ⅱ中存在應力比大于0.9的桿件與工況Ⅰ相同，但數量減少，工況Ⅲ、工況Ⅳ沒有應力比超過0.9的桿件；逐一更換工況Ⅰ中應力比超0.9的桿件為加強型桿件后，再次檢算沒有出現應力比超0.9的桿件。

表5　應力比超0.9的桿件統計表

通過以上計算，可以看出提升階段吊點的最大反力小于回落至支撐柱時支座的最大反力，提升階段工況Ⅱ為最不利工況，網架回落至支撐柱時工況Ⅳ為最不利工況，節點最大位移在容許范圍之內，各種工況沒有超應力桿件。在后續的施工過程中，嚴格按照計算結果將應力比超過0.9的桿件更換為高強桿件后，網架節點位移在規范容許范圍之內，沒有發生桿件變形扭曲，順利完成了施工（如圖3所示）。

圖3　鋼網屋架吊裝完成就位圖

4　結論

純平板結構鋼網架屋蓋相比于網架桁架組合屋架，其結構對于區部受力狀態的變化更敏感，提升過程中網架變形控制難度很大，通過制定合理的提升方案，并對提升工況的網架結構進行精確的驗算，得出各種工況下網架結構中桿件的最大受力與應力比，節點位移等參數，對軟弱部件進行更換和加固，順利完成了施工，總結如下結論：

1）安裝大跨度純平板結構鋼網架屋蓋受狹小空間限制時，采用原位拼裝后提升的施工工藝是可行的，但是施工工序要進行嚴格的結構檢算，確保結構變形控制在規范容許范圍內。

2）采用9個吊點進行網架提升的設計思路合理，吊點盡量靠近支點部位可使節點受力狀態最接近支座的工作時的受力狀態，對整個網架體系的影響最少，提升時產生的超應力桿件的更換量也最少。

3）網架提升階段，因預留混凝土支撐柱處的網架節點和桿件使鋼網屋架局部抽空，出現吊點處個別桿件應力集中，節點位移最大，應力比超0.9的桿件達到70根，施工時將這些桿件替換為高強桿件后順利完成施工，節點位移和桿件應力均在規定范圍之內。

參考文獻：

［1］JGJ7-2010空間網格結構技術規程［S］.

［2］曾令權，郭正興，羅斌，等.胡明坡.潮汕機場航站樓鋼屋蓋整體提升技術［J］.施工技術，2011，40（1）:70-72.

［3］陸寧.大跨度鋼結構網架整體液壓提升技術及安全措施［J］.建筑施工，2011，33（3）:194-209.

［4］劉建飛，鐘新國，周林，等.某超大單跨鋼屋蓋液壓同步整體提升施工技術［J］，施工技術，2010，39（4）:98-101.

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［6］田黎敏，郝際平，李存良，等.大跨度鋼屋蓋結構的整體提升施工技術［J］.建筑科學2014，30（11）:103-111.

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