南昌站鐵路站房屋蓋網架施工過程模擬及方案對比分析

錢慧青 鄢愛新

摘要：針對網架傳統施工方案中質量要求高、裝配累積誤差大、施工難度大、安裝精度難以控制等問題，以南昌站鐵路站房屋蓋網架施工為例，結合現有空間網架施工技術提出了回頂法安裝方案。基于ANSYS中的單元生死技術，對傳統法和回頂法兩種方案的網架拼裝過程進行了數值模擬，獲得了不同方案施工過程中網架結構的變形及應力狀態，并對模擬結果進行了對比分析。結果表明：與傳統法施工方案相比，回頂法施工方案能夠使網架結構變形及應力有所減小，具有較強的適用性。該研究成果可為類似網架工程的施工安全性和精確成型提供理論依據。

關鍵詞：空間網架；結構變形；回頂法施工；施工過程模擬；單元生死技術

中圖分類號：TU355

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）16017104

1引言

隨著國內外經濟的迅速發展，許多展覽館、鐵路站房、候車廳、影劇院等屋蓋構造普遍采用鋼結構形式，網架結構的質量事故也時有發生，例如網架在安裝過程中發生整體扭曲、倒塌、數值模擬計算不符合實際情況等[1]。為避免工程質量事故發生，國內外多采用數值模擬方法對結構的真實狀態進行分析，以便提前預知結構的應力變化和幾何變形狀態，防止網架在施工的過程中出現結構變形過大及安裝應力超限等問題[2～5]。

以南昌站屋蓋網架安裝為例，針對該項目網架施工具有網架面積大、安裝位置高、施工難度大、質量要求高等特點，在傳統施工方案的基礎上提出了回頂法施工方案[6]，并在網架正式施工前，采用ANSYS軟件[7]建立整體網架結構模型，運用單元生死法實現了傳統法和回頂法方案的施工模擬。通過對比傳統法施工方案和回頂法施工方案在網架結構施工中引起的應力及撓度變化趨勢，驗證了回頂法施工可以解決由結構變形引起的裝配累積誤差及安裝應力問題，從而降低施工難度，節約成本。同時，該項目施工前的施工模擬結果可以指導實際施工，為確保網架的施工安全和結構的精確成型提供了理論依據，可為類似網架結構的安裝提供有益的借鑒。

2單元生技術原理

單元生死技術按照成形后結構應力、應變與施工段之間的關系，將結構各個施工段的應力、應變狀態進行疊加，即如果將一個整體結構分為n塊單元，施工按1、2、…..…n個階段完成，則各施工段有限元方程[8]如下。

施工的第1階段：

K1U1=P1，N1=K1A1U1 （1）

施工的第2階段：

（K1+K2）U2=P2，N2=K2A2U2 （2）

…

施工的第n階段：

（K1+K2+…+Kn）Un=Pn，Nn=KnAnUn （3）

其中Kn、Un 、Pn、An、Nn為施工至階段n時整體結構單元的總剛度矩陣、總節點位移向量矩陣、總節點力向量矩陣、總幾何矩陣、總桿件內力向量矩陣；K1…i、U1…i、P1…i、A1…i、N1…i分別為施工至階段i時i塊結構單元的剛度矩陣、節點位移向量矩陣、節點力向量矩陣、幾何矩陣、桿件內力向量矩陣。

結構的總位移：

U=∑ni=1Ui，N=∑ni=1Ni （4）

網架施工過程借助ANSYS數值模擬方法，很容易得出施工過程任一階段結構的受力及變形狀態。在采用單元生死法進行施工模擬時，先將所有網架結構單元“殺死”，讓整體網架結構處于剛開始的“零”狀態，再按照施工順序依次激活相應階段的網架結構單元，并施加相應的計算荷載，通過將前一荷載步中結構的內力和位移計入下一荷載步的形式來保證計算的連續性，然后進行非線性有限元求解，實現網架結構的施工過程模擬。

3工程概況

南昌站改造工程的東站房屋蓋網架采用螺栓球節點連接形式，上部為正放四角錐網架屋蓋，下部為鋼筋混凝土框架結構，平面尺寸為204 m×40 m。如圖1所示，屋面網架施工共分為A、B、C三個區。其中A、C區網架底標高+18.6m，B區網架底標高+24.9m，為典型的不等高空間網架結構體系。

根據站房高度不相等的實際工程情況，項目部制定了不等高胎架滑移施工方法[9]，即在移動式腳手架的操作平臺上每拼裝完一榀網架單元，將胎架滑移至下一榀位置處，接著在前一榀網架基礎上拼裝第二榀，不斷循環，始終使后一榀的網架單元在前一榀網架基礎上進行裝配，直至整個網架拼裝完成。南昌站網架安裝完成效果如圖2所示。

4網架結構施工過程模擬

4.1計算假定

對南昌站屋蓋網架結構的施工進行模擬，其基本假定可概括為：

①網架的節點為空間鉸接方式；

②按小撓度理論計算；

③桿件只受軸向力作用；④結構處于彈性工作階段。

4.2模型建立

根據南昌站網架結構施工設計圖及拼裝方案，A區網架結構整體有限元模型如圖3所示。該模型所有桿件均采用Link180單元，取鋼材的彈性模量為E=2.0×10-11，泊松比為λ=0.3。

利用上述網架結構模型，在施工前運用ANSYS軟件模擬網架結構施工過程，可以預測不同施工工況網架結構的力學性態和裝配累積效應，使結構的應力、變形狀態始終處于安全可控范圍內，既可以確保網架的施工安全和精確成型，也可以為施工方案的優化提供理論依據。

4.3傳統方法拼裝施工過程模擬

根據南昌站施工的特點，A區網架的拼裝施工階段共分為4個荷載步，即以跨為網架單元（一跨即一榀），完成本跨網架單元的拼裝后卸載，后續網架單元在前跨已經卸載的網架結構基礎上進行拼裝，安裝完成后卸載，順次循環直至實現整個網架結構的裝配，施工過程模擬如圖4所示。

4.4回頂法拼裝施工過程模擬

基于傳統法施工方案，在本跨網架安裝完成之后，對其進行一次回頂過程，接著安裝下一榀單元，順次循環，直至整個網架施工完成，其施工過程的模擬如圖5所示。endprint

5模擬結果對比分析

2017年8月綠色科技第16期

如圖6網架結構跨中撓度-施工階段關系，已知最大撓度限值[f]= L/250=144 mm，當采用傳統施工方案進行施工時，隨著施工階段的進行，最大節點位移呈逐步增大的趨勢，當第四跨單元安裝完成之后，跨中撓度達到60 mm，說明傳統施工方法變形累積增加致使網架結構跨中撓度隨拼接單元增多急劇增大，從而導致安裝位移累積誤差加大。而采用回頂技術進行施工時，最大節點位移有先減小后緩慢增大的趨勢，當網架結構施工完成之后，跨中撓度只有9 mm，說明回頂技術隨著荷載步的增加可減小網架結構的變形，從而減小裝配累積誤差。

通過對比，說明較傳統施工方案相比回頂法施工方案更適合對網架結構進行連續裝配施工。在網架大面積連續裝配施工中，回頂法施工方案在進行下一網架單元安裝前，對前一就位網架單元跨中變形進行回頂修正，將施工過程中的結構變形累積效應有所減小，可降低施工難度，提高施工安全性。

如圖7網架結構最大應力-施工階段關系，當采用傳統方案進行施工時，網架結構最大壓（拉）應力均隨著拼接的網架結構單元的增加而增大，至整個網架安裝完成后，最大壓應力達到51.67 MPa，拉應力達到88.79 MPa，說明項目使用傳統安裝施工方法進行連續拼裝施工會造成桿件受力逐漸增大。而回頂法的最大壓應力隨著拼接的網架結構單元增加有先增大后減小的趨勢，且最大拉應力隨荷載步的增加呈緩慢減小的趨勢，當網架安裝完成后，最大壓應力達到45.31 MPa，拉應力只有38.15 MPa。通過對比，說明采用回頂法方法施工，在進行下一網架單元安裝前，對前一就位網架單元進行回頂修正，以平衡該跨網架單元的安裝應力，可以避免部分桿件受力過大的情況。

綜合兩種方案結構的應力變化及變形情況對比，網架結構滑移施工過程中采用回頂法施工較傳統法施工更合理可行。

6結論

在實際網架拼裝施工中，網架結構的剛度、外部荷載以及幾何形狀隨著施工的進行是不斷變化的，根據傳統法施工模擬的結構變形、應力變化趨勢，若進行連續拼裝施工，則有可能在某個施工階段的最大應力及撓度變形超過允許值，使網架在施工中處在不安全狀態，最后由施工過程模擬結果對比分析得出，回頂法施工方案

圖7網架結構最大應力-施工階段關系

較傳統法施工方案安全可靠。

筆者運用有限元軟件ANSYS的單元生死技術，模擬了屋蓋網架不同的施工過程，通過對比研究，得到以下結論。

（1）單元生死技術能有效模擬網架施工過程，其計算結果能較為真實地反映網架結構應力、應變狀態。

（2）網架施工采用回頂法施工，在下一跨網架單元安裝前，對上一跨單元進行回頂修正，在此基礎上進行拼接安裝，能夠減少結構隨拼裝單元增加累積的變形，減小裝配累積誤差，保障施工質量。

（3）采用回頂法施工時需要確定具體的施工方案和步驟，并針對具體工程進行詳細施工模擬，模擬結果可以指導實際施工。

（4）結構的最大應力、撓度變形不一定發生在施工完成階段，有可能發生在施工完成的前一個階段的施工過程。

參考文獻：

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[9]張江華.不等高空間網架結構的胎架滑移分段施工技術[J].建設科技，2016（15）：179 ～181.endprint