某航站樓復(fù)雜曲面網(wǎng)架施工過程仿真分析

任金嶺

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司， 天津300308)

摘要：某航站樓在復(fù)雜曲面網(wǎng)架施工時采用了基于基準(zhǔn)塊的安裝方法，在預(yù)定區(qū)域設(shè)置安裝基準(zhǔn)塊后吊裝就位，然后分區(qū)按照既定順序依次拼裝其余網(wǎng)架。對網(wǎng)架的整個安裝過程進(jìn)行了施工模擬，結(jié)果表明，采用施工過程分析所得到的桿件應(yīng)力大于靜力分析結(jié)果，同時對少量桿件在施工過程中應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)。此研究對復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的施工安全具有至關(guān)重要的作用，有利于指導(dǎo)施工全過程。

關(guān)鍵詞：航站樓；曲面網(wǎng)架；施工過程分析

作者簡介：任金嶺，碩士，高級工程師，中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司。研究方向：鋼結(jié)構(gòu)。

文章編號：1672-6758(2015)01-0051-3

中圖分類號：TU393.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Construction process analysis is very important for the safety of complex space structures. Erection method based on reference block is adopted during the construction of the complex surface steel grid structure of an airport terminal. The reference block is installed in presumptive area and then hoisted in place. The assembly of remaining grid is carried out in predetermined sequence. The simulation result of the whole construction process of the grid structure shows that the member stress is greater than static analysis. Several members are reinforced according to the result of the simulation.

對于復(fù)雜曲面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由于施工過程中隨時存在著結(jié)構(gòu)自由度數(shù)量的變化(如桿件的增加)、邊界條件的變化(如臨時支撐的增減)、荷載條件的變化(如增加屋面板、檁條、吊頂)等，采用具有施工過程分析功能的有限元軟件對施工全過程進(jìn)行仿真分析，是保障施工安全的重要手段。通過對各種不利因素進(jìn)行分析和計算，驗證不利因素對結(jié)構(gòu)的影響是否屬控制范圍，提出合理的控制基準(zhǔn)和方法，有利于指導(dǎo)施工全過程。[1]

1工程概況

本工程為某機(jī)場航站樓擴(kuò)建工程，分為A、B、C三個分區(qū)，各區(qū)之間設(shè)置抗震縫，相互獨立。其中A區(qū)(原T1航站樓新增部分)由分叉柱和斜柱等支撐柱支撐曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，C區(qū)(新建功能區(qū))由下部框架結(jié)構(gòu)和曲面網(wǎng)架組成，B區(qū)為T1航站樓改造屋面鋼結(jié)構(gòu)部分，即在原T1航站樓的屋面上新建鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋面。

A區(qū)網(wǎng)架為大跨度波浪形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，面積為15994m2。網(wǎng)架最高點標(biāo)高33.578m。用于支撐網(wǎng)架的鋼柱為中央部位與2層樓混凝土柱頂固接的6根樹枝鋼管柱、16根豎直圓管柱、12根Y型柱和周邊部位混凝土框架柱。樹枝柱與網(wǎng)架的連接采用的是向心關(guān)節(jié)軸承鑄鋼鉸接連接。A區(qū)網(wǎng)架螺栓球節(jié)點網(wǎng)架部分節(jié)點為焊接球結(jié)構(gòu)。

B區(qū)改造屋面為大跨度波浪形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由指廊、左側(cè)和右側(cè)網(wǎng)架屋蓋三部分組成。網(wǎng)架最高點距原屋面16.150m，成波浪形，每拱跨度約15m。網(wǎng)架的支持結(jié)構(gòu)由支撐柱為四叉斜柱組成，所有鋼柱都支撐在標(biāo)高10.900m樓層柱頂上，屋蓋螺栓球節(jié)點網(wǎng)架部分節(jié)點為焊接球結(jié)構(gòu)。

C區(qū)主航站樓屋蓋為大跨度波浪形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，面積為11018 m2。網(wǎng)架最高點標(biāo)高33.680m。用于支撐網(wǎng)架的鋼柱為中央部位的2根樹枝鋼管柱、兩邊的7根Y型柱和其他部位框架柱。C區(qū)屋蓋螺栓球節(jié)點網(wǎng)架部分節(jié)點為焊接球結(jié)構(gòu)。

圖1.1　整體結(jié)構(gòu)分區(qū)平面示意圖 Fig1.1　Partition map of the plan

圖1.2　A區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖 Fig1.2　Axonometric drawing of partition A

圖1.3　A區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)剖面圖 Fig1.3　Section of partition A

2網(wǎng)架安裝總體方法

本工程網(wǎng)架安裝均為先在預(yù)定區(qū)域設(shè)置網(wǎng)架安裝基準(zhǔn)塊(其中A、C區(qū)基準(zhǔn)塊在其安裝位置附近地面拼裝，分別用260t和150t汽車吊吊裝到位，B區(qū)基準(zhǔn)塊在屋面搭設(shè)滿堂架原位拼裝)然后分區(qū)域隨鋼框架安裝進(jìn)度，高空散拼剩余各區(qū)域網(wǎng)架。

A區(qū)和C區(qū)的基準(zhǔn)塊分別采用260t和150t汽車吊吊裝就位。剩余散裝桿件利用25t汽車吊上料，B區(qū)全部桿件均采用25t汽車吊，分別從T1航站樓指廊及T1航站樓左右兩側(cè)上料，屋面采用軌道平臺及人力運(yùn)輸。在拼裝過程中用全站儀對各控制節(jié)點進(jìn)行中心位置控制。

A、C區(qū)臨時支撐不采用滿堂腳手架。經(jīng)計算，A、C區(qū)網(wǎng)架安裝時，除結(jié)構(gòu)鋼柱可以作為支撐點以外，需要另外設(shè)置支撐架作為網(wǎng)架安裝時的臨時支撐，因而其臨時支撐系統(tǒng)為：結(jié)構(gòu)鋼柱+臨時支撐架。該支撐系統(tǒng)可以有效加快施工進(jìn)度。

臨時支撐架的位置根據(jù)計算確定，確保施工全過程中網(wǎng)架所有桿件的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，并保證各節(jié)點的撓度不超過允許值。由于下部樓層標(biāo)高位置的不同，支撐架支撐面標(biāo)高由8.5m~26.2m不等，根據(jù)分塊網(wǎng)架需要設(shè)置不同高度的支撐架。支撐架采用1.0m×1.0m×1.5m規(guī)格的組合式支撐架。

3網(wǎng)架安裝過程及施工模擬

3.1基準(zhǔn)塊的安裝及臨時支撐架的布置。

本工程網(wǎng)架安裝均為先在預(yù)定區(qū)域設(shè)置網(wǎng)架安裝基準(zhǔn)塊(其中A、C區(qū)基準(zhǔn)塊在其安裝位置附近地面拼裝，分別用260t和150t汽車吊吊裝到位，B區(qū)基準(zhǔn)塊在屋面搭設(shè)滿堂架原位拼裝)然后分區(qū)域隨鋼框架安裝進(jìn)度，高空散拼剩余各區(qū)域網(wǎng)架。

以A區(qū)為例進(jìn)行介紹。本區(qū)以a-24~a-25軸為基準(zhǔn)塊，先在地面進(jìn)行拼裝，將桿件按照圖紙拼裝成一個整體?；鶞?zhǔn)塊在A區(qū)的平面位置如圖3.1所示。地面拼裝后的基準(zhǔn)塊桿件應(yīng)力如圖3.2所示。

之后將基準(zhǔn)塊用260t吊車吊往指定位置，期間對基準(zhǔn)塊在吊起狀態(tài)下的應(yīng)力以及吊車其中能力、吊繩、卡環(huán)等進(jìn)行了驗算。

臨時支撐架的總體平面布置圖如圖3.1所示，圖中的支撐架根據(jù)安裝順序變換位置(新增/拆除)。

圖3.1　基準(zhǔn)塊及臨時支撐架的平面位置 Fig3.1　Position of ref. block and temporary support

3.2網(wǎng)架安裝順序及施工過程分析。

圖3.2　基準(zhǔn)塊地面拼裝后的桿件應(yīng)力 Fig3.2　Member stress after ground assembly

采用結(jié)構(gòu)分析有限元軟件Midas進(jìn)行施工過程分析，一共分為十個施工步驟，前九個步驟完成的區(qū)域如圖3.3所示，其中第一步施工步驟分為五個小步驟(以基準(zhǔn)塊為基礎(chǔ)，分別向陸側(cè)和空側(cè)兩端擴(kuò)展完成形成一片和基準(zhǔn)塊等寬的網(wǎng)架，施工過程中設(shè)置適當(dāng)?shù)呐R時支撐)；隨后依次向橫向兩端同步施工(過程中根據(jù)計算需要安裝或拆除臨時支撐)。第十施工步驟為最后一批的臨時支撐拆除及分叉柱安裝(本次施工過程除了直立柱是開始安裝就位的，其他分叉斜柱待網(wǎng)架就位后安裝)。

圖3.3　網(wǎng)架施工步驟示意圖 Fig3.3　Construction sequence of the grid structure

施工過程第一步驟完成后桿件應(yīng)力：壓桿最大應(yīng)力為22.5Mpa；拉桿最大應(yīng)力為25.7Mpa。第二至九步結(jié)果略。

全部施工步驟完成后，下部分叉柱已全部安裝上，臨時支撐已全部撤去。此時最大受壓桿件應(yīng)力為20.1Mpa，最大受拉桿件應(yīng)力為34.5Mpa。

對整個施工過程中的桿件最大應(yīng)力進(jìn)行匯總后可知，最大桿件應(yīng)力為107.6Mpa(為拉桿)，對應(yīng)的應(yīng)力比約為0.52，該桿件為上弦桿。

3.3施工過程中需加強(qiáng)的桿件。

對所有桿件根據(jù)其施工過程中的最大內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計驗算，得出應(yīng)力比較大的桿件如圖3.4所示。應(yīng)力較大的桿件僅有五根，桿件截面均為Φ60x3.5。

圖3.4　應(yīng)力比較大桿件統(tǒng)計 Fig3.4　Statistic of high stress members

考慮到上述五根桿件截面偏小，將其進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，加強(qiáng)后重新進(jìn)行施工過程分析，最大桿件應(yīng)力比由0.52降為0.345，效果明顯。

3.4進(jìn)行施工過程分析與一次加載的計算結(jié)果比較。

在不考慮施工階段分析(純靜力分析)的情況下，經(jīng)計算，純靜力模型所有桿件的最大應(yīng)力比為0.19，僅為考慮施工階段分析結(jié)果(0.52)的37%，可見對復(fù)雜曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段分析的必要性。

4結(jié)論

由本文進(jìn)行的施工過程分析可知：

(1)復(fù)雜曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在不采用滿堂腳手架的施工方法時，必須進(jìn)行施工過程分析；

(2)對于復(fù)雜曲面網(wǎng)架，采用施工過程分析所得到的桿件應(yīng)力往往大于靜力分析結(jié)果；

(3)施工過程分析的結(jié)果可為復(fù)雜曲面網(wǎng)架施工的安全提供計算依據(jù)，部分桿件可能需要根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑廣鑒, 曾強(qiáng), 陳柏林. 復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)施工過程的計算機(jī)仿真分析[J]. 施工技術(shù)，2005(10):60.

[2]GB50755-2012 鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2003.

Construction Process Simulation of the Complex Surface Steel Grid Structure of an Airport Terminal

Ren Jinling

(Construction and Erection Company Ltd., the 18th Bureau of CRCC, Tianjin 300308，China)

Key words：airport terminal; complex surface grid structure; construction process analysis

Class No.:TU393.3Document Mark：A

(責(zé)任編輯：鄭英玲)