7字型桁架大跨度罩棚鋼結構施工過程模擬分析

黃 珊, 鄭德輝, 姜友榮, 付 航, 王永景

(1.中國五冶集團有限公司，四川成都 610063；2.四川省裝配式鋼結構建筑工程技術研究中心，四川成都 610063)

1 工程概況

成都鳳凰山露天音樂公園看臺鋼結構罩棚呈月牙形(圖1)，月牙兩端接地，月牙中部最大高度48.85m，月牙中部最大寬度36.5m，月牙最大長度180.7m，月牙與拱支索網間雨棚最大寬度15.0m，連接于月牙上罩棚兩端接地，中部支承于看臺15.750m標高平臺上(圖2)。

圖1 看臺罩棚實景

圖2 罩棚軸測

罩棚主體結構(圖3)采用21榀“7”字形立體桁架及落地立體桁架拱組成。“7”字形立體桁架在月牙的兩端分別有三榀落地，中部15榀支座均置于15.750m標高看臺平臺上；“7”字形立體桁架頂端均與落地斜拱相連，與斜拱共同工作。“7”字形立體桁架拐角處設立體聯系桁架。 材料：均采用Q345B熱軋無縫鋼管(或直縫焊管)/矩管。桁架弦桿規格主要包括φ402×16、φ351×16、φ351×8等、腹桿規格主要包括φ245×12、φ159×8和φ159×5等，“7”字形立體桁架(圖4)主要包括網殼連接部分、桁架豎向部分、桁架水平部分、銜接部分、懸挑部分幾部分構成。

圖3 罩棚組成示意

圖4 7字型桁架效果

2 施工方案

(1)本工程鋼結構罩棚跨度較大，結構不規則，選用分段吊裝+高空散拼的方式進行安裝。采用臨時支架對結構進行拼裝定位，帶主體安裝完成后再將臨時支架卸載，從而使結構達到設計狀態。安裝順序為落地拱立體桁架安裝→7字桁架及三角桁架安裝→卸載7字桁架支撐架→卸載落地拱支撐架→網殼安裝→懸挑及封邊桁架安裝。

(2)本工程在施工階段，劃分為兩個施工區，從兩邊向中間安裝，同時展開流水作業。首先將立體桁架落地拱安裝至中間的合攏區，7字型桁架從兩側以2～3個對稱的結構單元為一個施工步驟，直至安裝到合攏區，最后對主體結構進行合攏。

(3)本工程落地拱桁架180m，拱高48.85m，桁架在高空安裝過程如何安全、精準、快速施工，是落地拱施工的關鍵技術難題。

3 施工過程模擬分析

3.1 施工模擬分析方法

本文采用的施工模擬方法是采用有限元軟件SAP2000的一次性建模方法，先將所有桿件凍結，然后按照實際施工步驟將正在施工的單元組、荷載組、約束條件相應激活，達到模擬實際施工順序，驗證施工方案是否可行的目的。此方法綜合考慮了“時效”和“路徑”因素對結構的影響，分析精度較高。

3.2 施工步驟劃分

施工步驟劃分越細致，施工過程的模擬越真實，本工程模型將整個施工過程劃分為71個施工步進行，其中前62步為安裝施工步，后9步為卸載施工步。整個結構的有限元模型如圖5所示，主要的施工步驟如圖6所示。

圖5 施工模擬有限元分析整體模型

3.3 有限元模擬模型

3.3.1 鋼結構罩棚施工計算分析

現場設置26組支撐架，其中19組用于落地拱桁架吊裝，7組支撐架用于7字型桁架的吊裝，支撐采取獨立格構式支撐架。落地拱的支撐架利用彈性約束來模擬，7字型桁架部分的7組支撐架一同建立到模型中，共同參與受力變形。本文利用SAP2000對罩棚進行計算分析，設計結構重要性系數取1，荷載工況為恒載(即結構自重)以及溫度作用，荷載組合考慮1.40恒載+1.40溫度荷載(降溫25 ℃)。

通過計算，少數桿件應力比達到0.82，大多數桿件的應力比均在0.5以下，滿足規范要求(圖7)。

(a)落地拱吊裝

(b)7字型桁架吊裝

(c)卸載支架，安裝網架

(d)安裝懸挑及封邊桁架圖6 鋼結構主要施工步驟

支撐架采用裝配式格構體系，由高度4m格構單元及其連接桿件構成，節點通過螺栓連接，支撐架頂部設置可拆卸的調節定位段及作業平臺(圖8)。

3.3.2 雙曲鋼結構罩棚信息化精準就位

通過有限元軟件的施工模擬計算分析計算出來的數據，如關鍵構件的節點位移等，為施工提供理論支撐，旨在指導施工，精準安裝(圖9)。

同時本工程在BIM項目平臺上綜合集成了Tekla深化原始模型數據、現場構件實體胎架預拼裝測量數據、SAP2000施工模擬分析數據，通過數據對比分析，構件單元實體預拼裝與原始模型數據偏差控制在5mm以內。現場安裝以原始模型參數控制安裝對接口坐標、軸線，以實體預拼裝時吊裝單元及施工模擬分析結果預判實際結構安裝就位情況，對偏差不符合規范位置預先進行調整處理，同時在施工模擬分析過程中，位移大于15mm的支撐點，提前進行反向預偏設置。

(a)落地拱最大位移曲線

(b)7字桁架最大位移曲線圖7 最大位移曲線

4 結語

(1)本文對成都鳳凰山露天音樂公園主舞臺看臺罩棚施工進行施工模擬分析，驗算了施工方案的可行性，該施工方法可供類似工程參考。

(2)本項目工期緊，根據項目結構特點，選用分段吊裝+高空散拼的方式進行吊裝，支撐架根據需求進行靈活周轉使用，節約成本。

(3)通過模擬分析發現，鋼結構的最大應力出現在7字型桁架的支座處，各關鍵部位的應力均滿足設計規定的強度要求。

(4)最大變形出現在網殼的頂端懸挑部位，現場安裝時，調整監測點位置，根據現場檢測數據來看，滿足設計要求。

圖8 落地拱安裝

圖9 7字型桁架現場吊裝

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