大跨度鋼結構屋蓋吊裝與卸載全過程模擬分析

李廣地 李先猛

1.長江精工鋼結構（集團）股份有限公司 安徽 六安 237000；

2.通州建總集團有限公司徐州分公司 江蘇 徐州 221600

引言

近年來，隨著全民健身正式上升為國家戰略，各地方為構建高水平的全民健身公共服務平臺以及提高居民生活的幸福感，各地方的全民體育館工程應運而生。體育館的屋面結構大部分為大跨度鋼結構，而大跨度結構規模大，施工周期長，施工過程復雜多變，并且整個施工過程是分階段進行的，不同的施工階段結構具有不同的受力狀態，隨著工程進度的變化，結構的整體受力以及位移都會存在大幅度變化的風險，因此在施工前期，對于大跨度結構施工選擇科學合理的施工方案，以及有效的施工模擬，對保證大跨度鋼結構的安全性具有重大意義[1]。

目前，很多學者對大跨度鋼結構的施工過程模擬進行了大量研究。鄒孔慶等[2]采用大型有限元分析軟件對鳳陽體育館的鋼屋蓋進行了三維結構計算模擬，驗證了施工過程的安全性、結構成型的合理性。吳晶晶[3]對賴陽體育場鋼結構的頂升和卸載進行施工全過程仿真模擬分析，并根據分析結果，設計出搖擺柱的限位工裝，對實際施工給以科學指導。王秀麗等[4]采用Midas Gen有限元軟件對某大型體育館鋼結構進行施工過程仿真模擬分析，并將結果與不同的加載工況進行對比分析，一次加載的結果顯著小于施工階段分析的結果。吳窮等[5]采用Midas Gen對武漢光谷網球中心按照施工順序進行全過程的仿真分析，并將有限元分析結果與實際監測結果進行對比分析，驗證了有限元模擬的正確性和施工方案的合理性。田黎敏等[6]對大跨度鋼屋蓋的同步提升施工進行了有限元模擬，并通過不同的提升分析，提出了“單、隔點組合不同步分析法”，并給出了減輕提升不同步性的措施。范重等[7]對國家體育場鋼結構采用逐步“激活”單元技術對鋼結構安裝過程進行模擬計算，結果表明，施工的順序對鋼結構的內力與變形有顯著的影響。

綜上所述，大跨度鋼結構由于自身結構的特性，其施工過程對最終結構的是否安全使用至關重要。本文作者針對寶應體育館大跨度鋼屋蓋結構，采用Midas Gen有限元分析軟件，對鋼屋蓋的分段吊裝、卸載進行施工仿真模擬，通過施工非線性計算可以確定結構和構件在施工過程中的薄弱之處，從而可以指導施工安裝過程中輔助措施的設置，為后續相同工程的施工提供建議。

1 工程概況

寶應體育綜合館位于寶應縣城南新城寶南湖南側，體育綜合館包含體育館、游泳館以及全民健身中心三大部分，由于寶應是中國荷藕之鄉，體育館設計充分體現了這一元素，“三館合一”的體育館則似三朵含苞待放的荷花。同時，生態體育公園藝術建筑和寶南湖水面倒影效果非常突出。

體育館內座位數3585個，屋面標高15.00～25.937m，主體采用現澆鋼筋混凝土框架結構，屋面采用平面鋼管桁架結構體系，水平投影跨度127m，其中平面鋼管桁架結構體系由7處縱向主桁架、4處橫向主桁架以及外圍的懸挑桁架和環桁架組成。

2 吊裝與卸載施工方案

由于體育館的屋面跨度大，故屋面的安裝是本工程的重難點。本項目的吊裝方案主要是由屋面吊裝方案來決定的。常用的大跨度鋼結構安裝施工方法主要有：整體提升法、整體頂升法、高空散裝法、滑移法、整體吊裝法等[8]。根據體育館的結構特征，屋面鋼結構可供選擇的施工方案主要有按徑向分區整體提升的施工方案與高空對接整體卸載兩種方式。

體育館獨特的結構形式決定了屋蓋部分整體提升不可行，原因有以下幾點：①整體提升需設多個吊點，提升不同步易導致結構破壞；①屋蓋部分以平面主桁架和次桁架為主要承重桿件，平面外剛度差，提升過程屋蓋部分變形難以控制；③根據結構情況，體育館內部混凝土結構及三面看臺等土建設施完工后才能施工鋼結構，不具備整體拼裝場地條件。綜合以上原因分析，屋蓋鋼結構平面桁架采用高空分段對接整體卸載的施工方法。

高空對接屬于結構原位安裝，全過程無額外應力增加，基本處于零應力狀態下進行安裝。在拆除支撐后，結構直接轉變為設計受力狀態，這樣結構整體安全性就能夠把握。在每個小的結構單元安裝完成后都自成體系，不影響其他工種的施工，對于混凝土結構的施工也沒有特殊要求。在兩臺履帶吊進行吊裝施工的情況下，整個體育館的安裝工期也可以大大縮短。

3 構件現場吊裝與卸載

3.1 現場吊裝驗算

體育館屋面主桁架的安裝精度決定著整個屋面的安裝精度。單根主桁架長度最長為106m，總重約為30噸，需要將其分為4段吊裝，單個吊裝單元的長度較長且剛度相對較弱。在吊裝過程中需要多點起吊，以防止其變形，另外在吊裝前需進行桁架吊裝驗算。構件吊至指定位置后，通過構件兩端的定位耳板進行定位，待耳板上的螺栓全部順利穿過后，表示定位完成。隨即擰緊螺栓，整個主桁架全部就位后，本著“單桿雙焊，雙桿單焊”的原則，開始對構件進行焊接。焊接需滿足設計要求。在整根屋蓋圓鋼管主桁架焊接完畢后方可拆除耳板。（屋面主桁架分段吊裝詳見主結構安裝總體流程。）主桁架吊裝過程中驗算分析：

圖1 HJ1-3吊裝過程驗算一

圖2 HJ1-3吊裝驗算二

3.2 支撐架卸載與拆除

為確保鋼結構屋面在空中準確對接，且在現場吊裝時需要控制應力及撓度，即懸挑管桁架柱在分段吊裝就位時必須合理設置支撐架，確保其撓度變形在可控范圍內。在屋面吊裝完畢后進行屋面桁架卸載。

在卸載時，根據“變形協調、卸載均衡”的原則，將通過放置在支架上的可調節點支撐裝置千斤頂，多次循環微量下降來實現“荷載平衡轉移”。具體卸載方法：首先將千斤頂頂升至一定高度后，移除頂部第一塊墊板（圖3-a），再緩慢降低千斤頂頂部標高，如此反復，逐漸拆除墊板，待桁架不在下落時，卸載完畢，再移除千斤頂以及臨時支撐架（圖3-b、圖3-c）。由于在卸載過程中同一卸載步驟中的各支撐點無法做到絕對同步，支架支撐點卸載先后次序不同，其軸力必然造成增減，故需應根據設計要求或計算結果，在關鍵支架支撐點部位，放置檢測裝置（如貼應變片），檢測支架支點軸力變化，確保臨時支架和桁架的安全。

圖3 卸載過程示意圖

4 全過程有限元分析

4.1 施工過程分析理論基礎

施工過程分析與傳統的工程設計計算主要有以下不同：一是作用的不是使用載荷，而是施工載荷，主要包括結構自重、施工材料等，其特點是數值與位置隨時間發生變化；二是隨施工過程結構形狀發生變化，原本的結構在施工過程中發生內力重分布；三是每個施工過程都有自己特有的邊界條件，且隨著施工的進展邊界條件隨之改變結構的剛度、邊界條件、施工荷載隨時間不斷變化，表征為時空演變的特性。因此，施工過程分析屬于時變力學的范疇。

本文采用有限元軟件Midas Gen的施工階段分析模塊模擬施工過程，每個施工階段模擬是通過定義任意時刻荷載的施加與解除、單元的產生與消失以及邊界條件的變化來實現。

4.2 模型參數信息

項目中以中國規范、規程以及業主提供的圖紙及招標文件資料為依據。在施工模擬驗算過程中，考慮了結構自重以及施工過程中所可能出現的荷載，并由程序自動計算。鋼結構模型均選用兩節點、六自由度的frame單元模擬，該單元可以考慮拉（壓）、彎、剪、扭四種內力的共同作用。

4.3 吊裝施工過程分析

通過有限元模擬對體育館鋼結構的空中對接吊裝施工進行了施工模擬，并且將每一步吊裝安裝后的豎向位移進行云圖展示。在最開始的吊裝模擬中，最大豎向位移在外圍的圈梁上（圖6）；將兩側屋蓋主桁架吊裝上后，最大豎向位移位于主桁架的跨中位置；由于屋面中間的跨度較大，故在屋面中間設置臨時支撐，可以從圖中看出，最大豎向位移位于兩側屋蓋柱與中間臨時支撐的跨中位置，且豎向位移要明顯小于兩側屋蓋跨中位移，這是由于屋面中間的主桁架高度大于兩側屋面桁架高度，故屋面中間主桁架抗彎剛度較大，豎向位移較小。

從施工過程云圖（圖4～圖7）可以看出，在主桁架的跨中區域豎向位移最大，故在構架加工過程中，對該部分進行了約65mm的預起拱，故驗算結果可以滿足設計要求。

圖4 柱上主桁架吊裝計算云圖

圖5 屋面兩側主桁架吊裝計算云圖

圖6 屋面中間主桁架吊裝計算云圖

圖7 吊裝完成云圖（未卸載）

4.4 卸載施工過程分析

由于鋼結構相較于混凝土結構而言剛度較小，存在較大撓度變形，因此卸載是鋼結構施工的一大特點，同時也是一大難點和重點。

鋼結構卸載，其實是對支撐架而言的。鋼結構的卸載過程實際是鋼結構的“負荷”過程，是鋼結構由施工受力狀態向設計受力狀態的轉變過程。由于上文所述，結構在卸載過程中會有較大變形，同時，由于卸載過程中又存在諸多不確定因素可能會造成結構發生不可逆的塑性變形，甚至是破壞，因此，選擇科學合理的卸載方式和次序是鋼結構安全施工最重要的最后一步。

本項目中共分為三步進行鋼結構卸載：第一步卸載鋼柱支撐系統；第二步卸載桁架內部支撐系統；第三步卸載桁架外部支撐系統。在卸載過程中，屋面鋼結構柱腳由施工狀態轉變為正常受荷工作狀態，其桿件的應力狀態以及豎向位移關系著結構能否正常使用。卸載過程中，各桿件的最大應力比以及最大豎向位移見下表。

表1 最大應力比和最大位移表

從表中數據可知，在卸載過程中屋面主桁架的桿件應力比變化不大，但屋面的最大豎向位移隨著卸載過程逐漸增大，從圖中可以看出，完全卸載后最大豎向位移位于屋面跨中區域，這表明在實際施工時，需要對此區域進行預起拱處理，以達到設計要求。

圖8 卸載后最大豎向位移云圖

5 結束語

本文對寶應體育館屋面鋼結構施工全過程進行有限元模擬，對屋面的分段吊裝、卸載進行了詳細的分析與研究，可以得出以下主要結論：

通過施工全過程的仿真模擬，充分分析了大跨度結構體系，選用科學合理的施工方案，完美實現了結構的設計理念。

利用結構體系特點，合理設置施工臨時支撐，有效降低了鋼結構施工而產生的撓度，使得結構能夠有效安全的使用。

通過有限元施工模擬，在現場施工時針對最大撓度位置進行預起拱處理，使得結構更加有效合理的受力，最大豎向位移在規范的要求范圍內。