杭州火车东站椭圆锥管钢柱施工支架模拟分析

2013-08-21李芬红

山西建筑 2013年27期

关键词：桁架云图模态

李芬红

(浙江同济科技职业学院，浙江杭州 311210)

0 引言

由于杭州火车东站站房钢结构屋盖桁架跨度大，每榀桁架自重重，屋面离地面高度高，为了建筑美观，同时满足跨度大、高度高的要求，工程设计时采用椭圆锥管钢柱为支承柱。

1 工程概况

杭州火车东站站房钢结构屋盖长度为490多米，宽度280多米，最高点标高为39.100，桁架最大跨度为111.6 m，桁架最大截面高度为7 m。

考虑到温度作用产生的应力对结构的影响，在长度方向设置了两道伸缩缝，即把屋盖分成了3个温度区段。施工时每个温度区段可以当作一个施工区段，此处以轴～轴/⑥轴～轴为一个施工区段。此施工区段，在轴和轴上有椭圆锥管钢柱，每条轴线上6根(见图1)。由于外伸椭圆锥管钢柱 GKZ3，GKZ3a(GKZ3a与GKZ3对称)为安装难度最大的钢柱，故椭圆锥管钢柱的安装施工方案以GKZ3为典型进行分析说明。GKZ3柱顶与桁架相连，柱底标高－3.350，柱顶标高24.940，垂直高度28.290 m，柱轴心线倾角为63.7°。柱底短轴长1 170 mm，长轴长2 144 mm;柱顶短轴长4 928 mm，长轴长5 808 mm。柱体总重约1 000 kN，柱顶负载1 500 kN。施工支架底标高为±0.000。

2 椭圆锥管钢柱施工方案

椭圆锥管钢柱倾斜角度大、上部负载大、地面土质松软、地面承载力低，柱垂直高度达28.290 m，稳定性差。如支架发生沉降，椭圆锥管钢柱倾角发生变化，中心跨度加大，屋面主桁架难以合龙。故在保证椭圆锥管钢柱施工支架强度的同时，必须加强对椭圆锥管钢柱施工支架的变形控制以及支架基础的加固处理，以减小椭圆锥管钢柱的偏差。

图1 轴～轴/轴～轴屋盖桁架轴测图

由于椭圆锥管钢柱高度高，自重大，施工定位难，施工时采用分段吊装、现场拼接的施工方法，通过对施工支架进行模拟分析，确保椭圆锥管钢柱施工安全顺利地进行。吊装时采用250 t和260 t的履带吊。

1)椭圆锥管钢柱分段重量表见表1。

表1 椭圆锥管钢柱分段重量表

2)椭圆锥管钢柱安装流程。安装时按表1中的分段情况进行逐段安装(见图2)。

图2 椭圆锥管钢柱安装示意图

3 施工支架模拟分析

椭圆锥管钢柱施工阶段，必须进行施工阶段非线性分析，通过施工分析确定方案合理后才能采用，若不合理，必须根据分析结果调整方案，直到合理为止。此处根据图2的安装流程对椭圆锥管钢柱施工支架进行施工模拟分析，并根据分析结果调整得到经济合理、安全可靠的施工方案。

3.1 施工过程中荷载计算

恒荷载:包含支架和椭圆锥管钢柱自重。

恒荷载分项系数:1.2(考虑施工过程中可能出现的不利情况)。

恒荷载有利时分项系数:1.0。

附加恒荷载:椭圆锥管钢柱柱顶1 500 kN。

支架风荷载影响:W0=0.45 kN/m2，体型系数:μS=1.3，高度分别取10 m，20 m，30 m，地面粗糙度:B类。

WK10= βZμSμZW0=1.00 ×1.3 × 1.00 ×0.45=0.585 kN/m2，取 0.60 kN/m2。

WK20= βZμSμZW0=1.00 ×1.3 × 1.25 ×0.45=0.731 kN/m2，取 0.75 kN/m2。

WK30= βZμSμZW0=1.00 ×1.3 × 1.42 ×0.45=0.830 kN/m2，取 0.85 kN/m2。

3.2 施工模拟分析

3.2.1 变形分析

控制支架变形的目的是为了控制椭圆锥管钢柱的侧移，故以下主要通过对各施工阶段进行变形分析，查看椭圆锥管钢柱的位移，分析结果见变形云图(见图3～图7)。

图3 第一步安装后支架变形云图

第一段椭圆锥管钢柱顶位移为:U1:0.841 6 mm，U2:0.001 9 mm，U3:0.464 5 mm。

图4 第二步安装后支架变形云图

第二段椭圆锥管钢柱顶位移为:U1:0.109 7 mm，U2:0.000 2 mm，U3:0.096 2 mm。

图5 第三步安装后支架变形云图

第三段椭圆锥管钢柱顶位移为:U1:0.356 8 mm，U2:0.000 8 mm，U3:0.258 6 mm。

图6 第四步安装后支架变形云图

第四段椭圆锥管钢柱顶位移为:U1:0.319 7 mm，U2:0.001 0 mm，U3:0.196 2 mm。

第五段椭圆锥管钢柱顶位移为:U1:3.956 7 mm，U2:0.326 8 mm，U3:2.457 7 mm。

3.2.2 支架杆件应力分析

根据计算，第五段安装完毕后支架杆件的最大应力比为0.7，应力比图见图8。

3.2.3 支架整体稳定分析

要保证椭圆锥管钢柱的安装能安全顺利地进行，就必须首先保证支架本身的整体稳定，通过屈曲分析(Buckling分析)结果判断支架的整体稳定情况，荷载取值为支架自重与钢柱自重的和再乘以分项系数1.2，屈曲分析各阶模态图见图9～图13，屈曲分析比例因子见表2。

图7 第五步安装后支架变形云图

图8 构件应力比图

图9 Buckling分析第一模态图

图10 Buckling分析第二模态图

综上所述，构件最大应力比未超过0.7，支架在水平力作用下结构位移很小，支架满足变形要求;椭圆锥管钢柱GKZ3最大位移为:U1:3.956 7 mm，U2:0.326 8 mm，U3:2.457 7 mm，空间位移总量为:4.669 3 mm，变形满足规范要求;屈曲分析比例因子最小值为43.575，支架整体稳定安全系数大，满足施工要求。