某大跨度儲煤倉索桁架屋蓋施工模擬分析

李聰聰，李 娟，劉 香

（內蒙古科技大學 土木工程學院，內蒙古 包頭 014010）

索桁架結構具有造型輕盈、節省材料等優點，目前主要應用于大型體育館等公共建筑。索桁架結構用于大跨度儲煤倉，可以彌補傳統鋼結構儲煤倉自重大、用鋼量大的不足[1]。大跨度索桁架結構儲煤倉由主柱、抗風柱、鋼桁架梁、撐桿、穩定索、承重索、上下斜拉索、縱向索、柱間檁條及拉條組成。索桁架屋面系統從零應力態到初始態的過程是索系從“柔”轉“剛”的過程。這一過程中，對屋面索系施加了足夠的預應力，使屋面系統保持穩定的形狀及承載力[2-3]。因此，索桁架結構屋面系統的施工對于整個結構的施工至關重要。本文以某大跨度索桁架結構儲煤倉為例，針對該儲煤倉的屋蓋施工方案進行研究。本文研究內容為該類型儲煤倉施工提供理論依據，有利于大跨度索桁架結構儲煤倉的推廣。

1 工程背景

本文以包頭市某公司大跨度儲煤倉為例。該儲煤倉面積為120 m×180 m，結構跨度為120 m。儲煤倉屋蓋采用魚腹式索桁架體系，共有19榀索桁架，各榀之間連有縱向索，表面覆蓋輕型屋面板。如圖1所示。儲煤倉側立面如圖2所示。中間榀索桁架構件布置如圖3所示。屋面索系均采用高強封閉索，拉索參數見表1，儲煤倉其余基本構件參數見表2。

表1 結構拉索參數表

表2 結構基本構件參數

圖1 大跨度索桁架結構儲煤倉三維示意圖

圖2 側立面圖（單位：mm）

圖3 中間榀索桁架示意圖（單位：mm）

2 索桁架屋蓋施工方案

根據索桁架結構儲煤倉的結構特點及索結構技術規范規定，對索桁架屋蓋的施工擬定了“低空組裝索系，整體提升分級張拉”的施工方案。施工步驟如下。

（1）低空組裝屋面索系。首先在場地內搭設腳手架，腳手架中間高度為6 m，兩端高度為2.1 m。其次利用吊車和索盤進行放索和鋪索，將穩定索和縱向索鋪設在場地內投影位置的腳手架上，鋪設完畢后安裝索夾。最后將連接后的穩定索和縱向索利用提升工裝提升至一定位置后安裝撐桿，并連接承重索。

（2）整體提升屋面索系。將提升點設置在柱頂位置，在柱頂位置搭建施工操作平臺。將穩定索作為提升載體，利用液壓同步提升系統整體。提升過程中，利用倒鏈牽引縱向索和承重索頭，當穩定索提升到位后，承重索和縱向索的索頭距離耳板位置較近，便于后續張拉。

（3）張拉索系。屋面索系整體提升到位后直接張拉穩定索和縱向索到位，然后張拉上斜拉索到位，最后按照20%、40%、60%、80%、90%和100%分級依次張拉下斜拉索和承重索到位。

（4）安裝屋面板。所有拉索張拉到位，索系具有一定的剛度后安裝屋面板。

索桁架索系安裝過程如圖4所示。

圖4 索桁架拉索安裝過程

3 施工過程有限元模擬分析

3.1 施工特點及有限元分析法

從施工力學的角度分析，本工程中索桁架結構屬于柔性結構，對結構施加預應力后，應力的分布決定了結構的幾何形狀。當外荷載作用時，索桁架結構通過變形調整張力以抵抗外荷載[4]。

本文采用有限元軟件MIDAS Gen對索桁架結構施工過程模擬分析，該軟件與同類軟件相比在空間結構施工階段分析方面更加成熟，操作步驟簡單，非線性分析功能全面。建立結構的整體模型后，按照結構的施工步驟將同一施工步驟中出現的桿件、邊界及荷載劃分為同一組，并將各個結構組、邊界組及荷載組定義到相應的施工階段。利用MIDAS Gen施工分析數據中的累加模型計算時，下一個施工階段的內力和變形隨上一個施工階段變化，此時單元被鈍化是將某一個極小的因子與此單元的剛度矩陣相乘，被鈍化單元的特性可以看作是無窮小的量，對其他單元不產生影響。在模型求解過程中只考慮被激活的構件而不包括被鈍化的構件，按照施工步驟將安裝構件激活，未安裝構件鈍化，最終達到真實施工模擬的目的[5]。

結構構件之間的連接形式為：鋼柱與鋼桁架、墻面檁條及拉條之間為剛接，拉索與鋼構之間為鉸接，拉索與拉索之間為鉸接。其中拉索采用索單元模擬，撐桿采用桁架單元模擬，其余鋼構件均采用梁單元模擬，屋面板和墻面板采用板單元劃分網格模擬。本文采用施加初拉力荷載的方法施加預應力。

3.2 施工模擬分析

3.2.1 施工步驟的劃分（表3）

表3 施工步驟劃分

3.2.2 穩定索索力變化

根據施工模擬可知，屋蓋受力最大位置為中間榀索桁架處，因索桁架受力對稱，所以提取以下編號位置穩定索索段索力進行分析，如圖5所示。

圖5 中間榀穩定索索段編號

穩定索編號索段索力變化如圖6所示。由圖可知，對稱位置的索段索力值和均變化趨勢相同。隨著承重索的逐級張拉，索桁架兩端位置穩定索索力逐漸下降，中間位置穩定索索力逐漸增加。施工步驟10中，承重索張拉到位，各穩定索索段索力達到最大值，后續步驟索力無明顯變化。各索段索力最大值范圍為180～860kN，與各編號索段索力設計值偏差在10%范圍內，滿足規范要求[6]。結構最終成型時索力呈現從中間向兩端逐漸遞減的特點。

圖6 穩定索索段索力變化

3.2.3 承重索索力變化

同理，提取以下編號位置承重索索段的索力進行分析，如圖7所示。

圖7 中間榀承重索索段編號

承重索編號索段索力變化曲線如圖8所示。由圖可知，對稱位置的承重索索段索力值相同，變化趨勢相近。施工過程中各索段索力逐漸增加，當預應力施加到80%時，承重索各索段索力幾乎相同，施工步驟10中，各索段索力達到最大值，范圍在5 500～6 300 kN之間，與各編號索段索力設計值偏差均在10%以內，滿足設計要求[6]。

圖8 承重索索段索力變化

由上述穩定索和承重索索段索力變化曲線可知，當承重索未施加預應力時，由于索系自重作用，索桁架中間位置的承重索索段及兩端位置的穩定索索段受拉力較大。雖然穩定索施加了預應力，但索桁架拉索依然處于“柔”的狀態，并不具備承受外荷載的能力。隨著承重索的張拉，穩定索和承重索各索段之間索力得到平穩的轉換，最終達到設計要求索力，實現結構從“柔”到“剛”狀態的轉化。

3.2.4 索桁架屋面豎向位移變化

通過施工模擬分析可知，索桁架屋面系統在張拉過程中豎向位移變形具有對稱性。豎向位移值呈現屋面中間位置大、屋面四周小的特點。在索系張拉過程中，屋面系統撐桿兩端位置節點豎向位移變化具有同步性。因此，本文選取屋面系統1/4區域內撐桿上端的6個關鍵節點，如圖9所示。通過分析各關鍵節點豎向位移，反映索桁架屋面系統豎向位移變化。

圖9 關鍵節點編號

施工過程中各關鍵節點豎向位移變化曲線如圖10所示。由圖可知，施工過程中索桁架屋面系統邊節點豎向位移變化不明顯；中間節點豎向位移值先減小后增大，方向由下向上。當承重索的預應力施加到90%時，屋面呈現水平狀態。隨著承重索的張拉到位，中間節點位移逐漸增大，方向向上。結構成型時屋面中間位置節點豎向位移值為118 mm左右，方向向上；邊節點位移值為5 mm左右，方向向下。最終屋面系統豎向位移滿足設計要求。

圖10 關鍵節點豎向位移變化

4 結論

通過對本索桁架結構儲煤倉屋面系統的施工模擬分析，得到以下結論。

（1）該類型儲煤倉屋面系統施工時，可采用“低空組裝索系，整體提升分級張拉”的施工方案。

（2）屋面系統整體提升時可選擇穩定索作為提升載體，提升過程中同時牽引縱向索和承重索，這樣可以減少施工步驟，有利于后續索系張拉。

（3）施工過程中，穩定索和承重索索力實現平穩轉換，并無出現巨大內力，最終索力達到設計要求，施工過程安全可行。

（4）施工過程中，屋面系統關鍵節點豎向位移變化符合變化規律，最終屋面系統豎向位移值滿足設計要求。