大面積網架整體頂升施工仿真分析

□文/徐 皓 張 倩 高 璞 郭紅強 楊 帆

隨著社會的發展，人們的生產、生活空間不斷變大，網架結構具有桿件少、節點構造簡單、結構受力合理、施工方便快捷和經濟性好等特點，常被用于大跨度空間的屋蓋[1]。

網架的施工方法，從搭設滿堂腳手架的高空散裝，到分片吊裝、整體吊裝、整體提升、整體頂升等，不斷發展[2～3]。大噸位網架的整體頂升對施工安全有重大影響，因此有必要針對大噸位網架的整體頂升施工進行全過程仿真分析[4]。

1 工程概況

某焊接球-螺栓球斜放四角錐網架，平面投影尺寸為84 m×100 m，網架高度為2.4 m，坐落于25 根支撐鋼柱上，見圖1。

圖1 網架平面

網架采用地面散拼、整體頂升的施工方式，整體頂升質量約320 t，頂升高度9.25 m。網架結構的支撐鋼柱提前施工完畢，因此抽空鋼柱相應位置的網架桿件和球節點，留待網架頂升至設計標高后進行嵌補。

2 網架頂升點優化

2.1 優化原則

1）保證網架整體頂升的施工安全。

2）盡量保持結構原有設計不變，避免或減少設計變更，實在無法滿足時，應使需要加強或加固的桿件數量盡量少。

3）網架頂升時的結構應力和變形盡量較小，分布相對均勻且不應超過設計和規范要求。

4）各頂升點的頂升反力相對均勻。

2.2 頂升方式的選擇和優化

網架整體頂升常采用自鎖式液壓千斤頂作為頂升動力，采用能夠不斷增加接長的支架（包括標準節和非標準節）作為頂升柱。

2.2.1 支頂部位的選擇

本工程網架高度為2.4 m，按3%結構找坡。考慮到用于大噸位頂升的自鎖式液壓千斤頂的初始長度和油缸行程通常都較大，若選擇支頂網架下弦球節點，則網架在散拼時必須在其下方預留液壓千斤頂及配套頂升設備的安裝空間，最大散拼高度將會超過5 m，低空作業安裝施工不便。見圖2。

因此，為盡可能減小網架結構的地面散拼高度，選擇支頂網架上弦球節點，將液壓千斤頂及配套頂升設備的安裝空間包含在網架高度范圍內，同時按最低點為零層板墊層頂標高-0.25 m進行拼裝，見圖3。

圖2 支頂下弦球節點

圖3 支頂上弦球節點

2.2.2 頂升托梁的設置

本工程為斜放四角錐網架，網架上弦球節點的正下方存在下弦桿件，液壓千斤頂無法直接支頂上弦球節點。考慮網架的實際情況和施工的便利性，每個頂升柱上端設置一個十字托梁，十字托梁的每個懸挑端分別支頂一個上弦球節點，既可避開網架的下弦桿件，同時可以在一定程度上分散頂升反力。見圖4。

圖4 頂升支撐系統

2.3 頂升點位置優化

網架頂升點的數量和位置直接影響到網架結構在頂升過程中的安全性，因此，有必要針對網架的頂升點數量和位置進行優化分析。本工程由于荷載相對均勻，桿件和球節點的布置也相對均勻，因此，頂升點布置也應該相對均勻。見圖5。

圖5 頂升點布置

3 網架整體頂升分析

3.1 荷載及工況

網架頂升分析的荷載條件考慮網架的自重和檁條重量，同時考慮頂升過程中的動力系數以及不同步頂升產生的不均勻受力[5]，分別模擬網架的2種工況。

工況1：模擬網架在頂升過程及高空懸停時的受力狀態，簡稱頂升工況。

工況2：模擬網架高空嵌補桿件完成后、落座結構柱前的受力狀態，簡稱嵌補工況。

3.2 頂升工況

不考慮壓桿穩定時，桿件應力水平較低，最大壓應力僅為54.4 MPa；考慮壓桿穩定后，桿件最大應力為302.1 MPa，見圖6。

圖6 頂升工況分析結果

應力比超過0.8的桿件有6根，超限桿件集中分布在頂升點附近的下弦桿；網架節點最大撓度20.6 mm；頂升點最大反力為223.2 kN。

3.3 嵌補工況

網架嵌補工況的分析結果與頂升工況類似，但是由于嵌補桿件和球節點的加入，網架剛度和應力發生重分布，應力比超過0.8的桿件有8根。見圖7。

圖7 嵌補工況分析結果

因為嵌補工況的8 根超限桿件與頂升工況不一致，僅包含頂升工況6根中的5根，故桿件加強措施應同時考慮2種工況，加固或加強9根桿件。

3.4 桿件加強后的網架驗算

經過與原設計單位溝通，同時考慮到超限桿件數量不多以及施工方便，將上述9根超應力桿件加大一個規格，再次進行網架頂升工況和嵌補工況的驗算以及原設計工況的網架結構復核。

網架桿件經過加強后，頂升工況時考慮壓桿穩定的桿件最大應力由302.1 MPa 降至237.8 MPa，嵌補工況時桿件最大應力由330.5 MPa 降至243.2 MPa，其他結果與桿件加強前類似；網架經復核滿足原設計要求[6～7]。網架經過加強后，能夠滿足頂升施工要求。

4 網架支座安裝及分步卸載

4.1 網架支座安裝分析

網架頂升至設計標高后，分批安裝25 個支座，安裝順序為：

1）階段①安裝最下排5個；

2）階段②安裝最右側4個支座；

3）階段③安裝最上排4個支座；

4）階段④安裝中間9個中間支座；

5）階段⑤安裝最左側3個支座。

網架支座分批安裝各階段的頂升反力分析結果見圖8。

圖8 網架支座安裝分析

4.2 分步卸載分析

網架支座安裝完成后，進行20 個頂升點同步卸載，千斤頂同步、穩定、緩慢下降，卸載過程中按荷載和位移雙控制同步，直至完全卸載。

分別按照千斤頂的位移量1、2、3、4、5、6、7、8 mm進行分步卸載分析。卸載過程中，各頂升反力越來越小，頂升托梁陸續與網架脫離而退出工作。見圖9。

圖9 分步卸載分析

5 結論及建議

1）按照網架整體頂升分析結果，超應力桿件應進行加固或加強，加固或加強措施應征得原設計單位認可后方可實施，加強后的網架應再次進行復核驗算，以確保結構安全。

2）十字形的頂升托梁需要詳細設計，使約束條件和計算模型相匹配，其構造措施應滿足施工要求。

3）網架在整體頂升過程中，20個頂升千斤頂需要按荷載和位移進行雙重同步控制，否則可能出現局部頂升反力過大，網架受力不均勻，從而引發整體垮塌；同時在網架頂升過程中，由于頂升柱需要不斷增加標準節，千斤頂需要不停地頂升再回落，通常來說千斤頂回落的同步控制更難，這點在施工過程中更加需要注意。

4）由于千斤頂底部固定端承擔彎矩的能力較弱，不能視為完全剛接，因此網架頂升過程中，需要設置可靠的側向約束或限位措施，以抵抗風荷載及其他可能出現的水平荷載，防止千斤頂出現側向傾覆而引發網架整體倒塌，這點也需要引起注意。

5）螺栓球節點施工時容易出現“假擰緊”現象，施工時應該采取可靠措施，同時進行必要的檢測，保證網架桿件的可靠連接。

6）在網架卸載就位時，嚴格進行監測。同步、穩定、緩慢下降，卸載過程中按荷載和位移雙控制同步。