基于全过程模拟分析的网架滑移法施工技术研究

张善庆

(福州成建工程监理有限公司 福建福州 350001)

1 工程概况

长乐国际机场第二轮扩能工程项目，航站楼主楼北扩C2段的二层为机场航站楼大厅新增国内值机区，层高23.95m，面宽208.6m，进深105m，采用钢结构网架屋面，柱网跨距12.0m×12.0m。网架采用正放四角锥双层螺栓球网架，局部设置3层，网格尺寸2.02m×2.02m，网架厚度1.414m，网架下弦球支撑于混凝土柱顶端，混凝土柱南北向间距12m，东西向最大跨度36m，柱顶标高11.400m～25.260m。平面轴线总尺寸95.3m×81.245m，钢结构网架屋面面积约8156m2。网架工程效果图见图1。

图1 网架工程效果图

2 该工程网架施工难点

该工程的钢网架屋盖施工，位置在结构层二层，吊装设备难以抵近行走吊装，现场仅布置1台TC7013塔吊，无法采用先地面拼装、再单元吊装的高空原位单元安装技术。在满堂脚手架施工、提(顶)升施工、滑移施工的方案比选中, 因为滑移法施工可减少支撑架体量、平台移动快速、施工措施成本低、能更好克服高空原位作业困难等优点而最终被选用。

但滑移法施工需要克服以下技术难题：

(1)二层结构板要有足够的强度，可以铺设专用轨道，满足滑移胎架滑移的要求，胎架滑移必须通过多点牵拉(顶推)时的同步控制[1]。

(2)滑移法施工须进行逐跨牵移胎架、分片施工网架，会在网架区块连接交界段产生不利的挠度变形，且钢结构网架螺栓球节点精度要求挺高，变形控制不到位，将会极大地影响网架结构受力及施工质量，必须对受力与挠度变形进行全过程模拟分析来指导施工。

3 网架滑移法施工技术要点

根据滑移主体的不同，滑移施工可分为结构滑移和胎架滑移。胎架滑移的施工特点是胎架移动而结构本身在原位逐条高空拼装，结构拼装后不再移动，比较安全。该工程采用“胎架滑移法”安装网架，于楼面设置导轨与框架式滑移胎架。滑移胎架以柱距12m的倍数为一个安装区域，在胎架顶部设置操作平台，直接原位安装网架球和杆件，安装完毕后，胎架滑移至下一区域进行安装，实现“逐跨牵移胎架、分片施工网架”。

钢结构网架螺栓球节点精度要求高、支座球节点构造较为复杂，深化设计必须充分考虑其工艺因素，提前解决可能出现的网架支座与混凝土柱、网架与屋面的连接问题。在深化设计的每一阶段，应用最低势能原理，找到平均标高最低的位置作为各阶段的定位位形，以管口和原设计定位点作为控制点，自动生成该位形的局部坐标和三维定位尺寸。

网架制造工序多、精度要求高，必须严格落实工艺措施，同时保证球节点的螺栓孔精度和球壁厚度满足性能要求。网架加工过程中的预拼装尤为重要，采用实体预拼和模拟预拼相结合，前期构件进行实体预拼装，后期构件进行模拟预拼装，确保加工精度。

网架构件数量多、外形尺寸相近，该工程网架杆件约5.5万件、球节点约5600个，需根据施工顺序按类型分5个批次有序进场。由于钢结构网架施工前，需要合理的深化设计、备料、加工等阶段，而工期压力往往容易挤压至现场施工阶段，应提前谋划好机械设备、周转胎架，保证充足的劳动力资源。协调好多专业之间的交叉施工、相互配合，做好工序移交，保证混凝土柱移交后测量控制点复核一致。网架高空安装时，需克服高空操作及自身变形、稳定性等带来的安装困难。

该工程分为A、B、C 3个胎架滑移区。在满足工期的前提下，为实现胎架和劳动力等资源的合理充分利用，采用顺序施工法，第一榀胎架搭设于A区45轴至47轴，由45轴向53轴滑移安装A区网架；完成A区安装后拆除胎架转移至B区搭设，由45轴向49轴滑移安装B区网架；最后滑移安装C区网架。滑移胎架平面布置及滑移方向示意图与滑移胎架立面示意图如图2～图3所示。

图2 滑移胎架平面布置及滑移方向示意图

图3 滑移胎架立面示意图

4 有限元模拟分析

采用顺序施工法，虽然施工资源得到最大化周转，但分条块安装却带来网架相邻区交界段存在挠度变形问题。滑移胎架移出后，是否需要增设单点支承措施回顶配合调整挠度、待网架全部安装完成后再整体卸载?为论证此问题，该工程运用Midas有限元软件构建网架模型，模拟分条块施工全过程，验算结构承载力与变形，如图4所示。对于与混凝土柱连接的焊接球支座节点，采用固定刚性支座模拟，完全约束结构6个方向的自由度[2]；对于与胎架支撑点临时连接的位置，采用释放梁端约束模拟，释放选定杆件某端头的自由度，可达到构件铰接效果。计算荷载主要考虑1.2倍结构自重。根据网架滑移施工流程，分为12个施工步骤，对每个步骤的XYZ向位移和各构件最大组合应力进行计算。模拟结果分析显示，结构总位移出现在第八步，此区域网架长向跨度36m、短向跨度12m，位移最大值17.58mm，能够满足《空间网格结构技术规程(JGJ7-2010)》要求短向跨度的1/250，挠度能够满足设计要求。整个模拟施工过程中，结构的应力水平始终保持在合理的水平，结构应力随着施工步骤变化趋势平缓，未出现较大的波动和剧烈变化，最大值为50.01MPa，杆件强度小于材料的屈服强度。根据有限元软件分析结果，该工程经专家论证通过后，在相邻区段连接前测量上一区段对接缝位置挠度，视其大小设置回顶接缝位置至设计标高。实测最大值14mm，未超过规范安装要求，各区块网架安装顺利完成。网架模拟分条块施工全过程承载力与变形图如图4所示。

步骤一，合位移5.42 mm

步骤二，合位移6.04mm

步骤三，合位移5.95mm

步骤四，合位移5.95mm

步骤五，合位移17.59mm

步骤六，合位移15.78mm

步骤七，合位移16.67mm

步骤八，合位移17.58mm

步骤九，合位移17.58mm

步骤十，合位移17.46mm

步骤十一，合位移：17.31mm

步骤十二，合位移 17.28mm

5 滑移胎架做法及受力分析

滑移胎架的使用，一是要保证作为网架安装时的稳固平台，二是要保证在滑移过程中的整体稳定性，三是减少周转搭设成本。

该工程滑移胎架采用梁柱框架式胎架，圆管柱截面为○219×10，水平杆采用○89×4圆钢管，斜杠采用○89×4圆钢管，平台钢梁采用HN300×150×6.5×9。胎架底部设计滑靴与轨道相连，顶部采用脚手管和模板搭设操作平台，如图5所示。

图5 滑移胎架示意图

滑移胎架计算考虑的荷载包括胎架本身的自重，上部拼装网架的重力荷载及施工荷载，以均布线荷载形式施加在顶梁上，胎架滑移启动时考虑1.2的动力系数，转变为水平荷载施加在胎架顶部。胎架模型的边界条件考虑在立杆底部设置铰接支座，与实际滑移构造相吻合。运用软件进行胎架刚度验算、强度验算、支座反力验算。为保证安全，计算工作状态下楼面的受力情况，求出原结构梁板的最大内力、变形值，并对原有配筋进行验算。滑移胎架示意图、滑移胎架应力比计算结果示意图及各工况下二层楼板DXYZ向位移结果示意图如图6～图7所示。

图6 滑移胎架应力比计算结果示意图

图7 各工况下二层楼板DXYZ向位移结果示意图

6 胎架滑移控制要点

在二层楼面混凝土结构施工时，预埋布置移轨道。滑移轨道的铺设，应保证水平、垂直偏差在可控范围内，滑移轨道的接头处应连接紧密，上面与侧面应打磨光滑平整，轨道摩擦表面涂黄油以减少摩擦阻力。验算轨道的挠度，以免轨道挠度过大时，引起滑移单元竖直方向的标高差异过大，进而产生附加内力，影响滑移。

胎架滑移前，必须认真检查滑移胎架、轨道以及牵引系统等部位，以防局部产生障碍。在滑移轨道上设置刻度标尺，每5cm一格，1m为一大区格，各柱间为一个控制单元。滑移时，牵引系统应保持同步匀速运转，以保证胎架支撑柱并行前进，可合理设计滑轮组机构，在减小单绳牵拉力的同时，尽量减小各台卷扬机牵拉力的差距。派专人对滑移过程的轨道、滑移单元的变形、滑移单元的水平偏移、各牵拉点的同步偏差进行观测，发现问题及时处理。

胎架卸载前，应确保网架单元可在胎架卸载后形成稳定的受力体系。在卸载过程中，结构本身的杆件内力和临时支撑的受力均会发生变化，合理的卸载工艺及顺序是结构安全的重要保障。胎架卸载应以理论计算为依据、以应力应变控制为核心、以测量控制为手段、以平稳过渡为目标，采用液压千斤顶分级同步卸载的方法进行。在每个卸载点安排一名操作人员，在卸载总指挥的统一协调下，保证同级、同卸载行程值，液压千斤顶同步精度应控制在±3mm以内，从而实现同步性卸载控制。施工过程中，做好结构下挠度变形观测、胎架沉降变形观测、胎架倾斜变形观测。

7 结语

网架结构是空间三维结构，结构形式稳定性好，整体重量轻，抗震能力强[3]。网架结构常用的施工技术有高空原位散件安装、高空原位单元安装、提升施工、顶升施工等，需要根据网架的结构形式、施工环境等诸多因素综合确定安装工艺。长乐国际机场第二轮扩能工程项目航站楼主楼北扩C2段二层机场航站楼大厅网架工程因受施工环境限制，由参建单位组成技术研究小组进行方案选择和技术攻关，最终采用非常规的滑移法施工，并应用Midas有限元软件技术，构建分区块滑移法施工模型，进行全过程模拟分析产生的挠度变形情况，指导施工，最终在施工安全、质量与经济效益方面均取得满意的成果。

采用胎架滑移法施工，应按胎架和结构的实际工作状态，包括网架结构安装状态与滑移状态，进行受力分析与承载力、刚度、整体稳定性的验算。相邻区块网架连接前实测上一区块对接缝位置挠度，应用有限元软件技术，进行全过程模拟分析产生的挠度变形情况，可视其大小设置支承回顶接缝位置至设计标高，从而减少累积变形。