网架局部补强技术

刘双桥，刘瑞斌，庞 鹏，李 清，杨连栋

（中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430064）

0 引言

随着人们对建筑的要求不断提高，不仅有坚固耐用的基本要求，对建筑美学也提出了新的要求，网架结构也逐渐成为我国近年来建筑设计中使用较多的一种建筑类型。该类型结构常用施工方法主要有高空原位拼装法、提升法、累积滑移法等［1］。本文以武汉梦时代广场项目屋顶钢网架为例，提出一种新型网架局部超应补强技术，通过计算模拟进行杆件分类、加固，从而影响整个结构的受力体系，确定敏感杆件范围，大幅度降低由于施工工艺原因需要替换的杆件数量，节约施工成本，降低原材消耗，有利于推动大跨度空间网架结构杆件加固补强技术。

1 工程概况

武汉梦时代广场项目是华中地区集商业、餐饮、娱乐为一体的最大的商业综合体，总建筑面积达 80 万 m2，是华中地区地标性建筑。本项目屋盖层有近 2 万 m2异型网架结构，网架跨度 45 m，网架厚度 3 m。作为网架结构的核心部件，杆件的结构可靠性直接影响网架结构可靠性。同时，各种新型施工工艺的成熟使得在施工方案上有了更多合理的选择。通过多种方案比选将网架分为 4 个部分，采用地面拼装+整体提升施工工艺。网架结构下降至混凝土结构屋面进行地面拼装，拼装完成后利用既有网架结构支座混凝土柱作为提升架进行整体提升施工。

因屋面结构具有很多出屋面的楼梯间设备间等结构与拼装网架干涉，故网架分为散拼区及提升区，具体分区如图 1 所示。

图1 网架提升区布置图

整体提升施工工艺的使用使得原结构在施工过程中的载荷工况相对于原设计工况更加复杂，因此充分模拟施工过程，提前辨识出关键区域受力杆件，通过整体位移、形变及时发现问题杆件，并提供可靠的局部杆件加固技术将成为结构安全使用的重中之重。如何有效地完成以上工作内容，确保施工质量，使得与新型工艺相结合的局部杆件加固技术显得很有研究价值和意义。

2 网架结构模拟分析及锁定加固截面

2.1 结构概况

梦时代项目 AB 区屋盖钢结构工程为空间网架结构，在整体提升施工阶段，地面拼装工况支撑点的改变，地面拼装与结构存在干涉区域导致结构不完整，提升器油压不同带来的不同步运行所引起的内力集中，大跨度空间网格结构的空间刚度会有所下降，更容易出现局部杆件失效的情况，且该种情况的表现较为隐蔽，施工完成后更容易出现隐患。

空间网架结构在设计模拟计算中，杆件仅仅受到拉力或压力，但在实际受力过程中，别个重点区域杆件需要承担额外载荷，网架结构的受力状态和设计状态不相符且在局部存在较大偏差。

项目采用 sap 计算软件进行提升工况模拟，杆件均采用梁单元模拟，梁按照压弯构件计算。验算变形时荷载分项系数取 1.0，验算强度时荷载分项系数取 1.5［2］。考虑提升时不同步，考虑 1.2 倍的不均匀超载系数。吊点位置施加竖向约束和水平弹簧的形式来模拟钢绞线对吊点的约束。提升工况分析中，网架的杆件应力比应控制在 0.9 以内。根据 GB 50017－2003《钢结构设计规范》［3］，受拉杆件长细比＜300（支座附近＜250），受压杆件长细比＜180。

计算结果如图 2～图 4 所示，根据图 4 可知，在正常受力状态下，应力比超过 0.5 的杆件数量约占 80 %，应力比超过 0.8 约占总数的 22 %，应力比超过 0.94 的有 60 根，部分杆件应力比超过 2。应重点关注高应力比杆件并及时追踪，确保结构安全。不满足杆件应力比 0.9 的杆件需要进行加固或置换。

图2 网架变形云图

图3 网架杆件应力比图（杆件替换前）

图4 原设计网架杆件提升工况应力比统计图（杆件补强/替换前）

2.2 加固或置换思路原则

在结构设计阶段或者施工准备阶段，可以根据施工方案直接选择替换。如果因某些原因中途修改施工方案，杆件已经加工，再进行替换会花费非常大的代价及时间精力。进而为解决此问题提出一种杆件加固技术，使得原受压杆件可以通过有效补强避免发生屈曲。

2.3 网架杆件补强技术

通过 ansys 模拟分析可知，当压杆长细比大于某个值时，使结构失稳的极限应力远小于结构的屈服极限强度，该情况下，通过一定手段对杆件进行补强处理可显著提升该杆压杆的稳定性；当压杆长细比小于某个值时，结构失稳的极限应力接近结构的屈服极限强度，该情况下直接在设计中对原杆件进行替换是更合理的选择。通过计算锁定极限长细比，合理划分替换杆件和加固杆件是技术核心。

通过以上分析可知，网架局部加固技术即为通过施工模拟和施工过程监测，减少设计阶段的替换杆件，重点监控有较大的概率突破设计限值的杆件，并采取相应措施的技术。

首先，应先分析原设计条件下，空间网架结构各个区间杆件的应力应变水平，锁定超应力比的杆件范围；其次，应在控制值下分析出施工过程中的最不利状态，将该状态下的施工模拟计算结果与原设计状态进行对比分析，筛选出两种状态下应力比水平较高的杆件重复覆盖范围，进一步缩小关注区域；再次，对于拉杆，直接进行杆件替换。对于压杆，应将压杆型号做进一步分析，根据杆件截面的分布规律，确定极限长细比。由于低长细比的杆件其稳定应力相对于高长细比的杆件不敏感，因此低于极限长细比的杆件直接在设计中予以替换，高于极限长细比的杆件将纳入重点监控范围；最后，通过施工过程监测结合上述分析结果，重点关注敏感区高长细比杆件的变形情况，并将超出理论变形状态下的杆件进行加固处理。

根据杆件初步判断，最容易出现屈服敏感临界状态的杆件为φ114 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm、φ159 mm×10 mm 圆管。因此，本文讨论重点为上述三种杆件的临界状态。

3 加固技术实施方案与节点

根据上述分析拟选用较为简单的增加肋板施工。

采用专业焊接施工人员，将加固用肋板安装在需加固的杆件之上，加固扁钢与钢管可采用断续焊，焊段长度为 15d，净距≤15d，d为扁钢厚度。其中，扁钢长 4 000 mm，高度 80 mm，厚度 6 mm，具体如图 5 所示。

图5 杆件加固大样

4 有限元分析

4.1 杆件分析流程

各类型压杆的屈曲分析流程如下：①用特征值法求得压杆的屈曲临界载荷；②分析压杆在该临界载荷下的最大应力；③将步骤 2 中计算得到的最大应力与压杆的屈服强度 235 MPa 进行比较，定性分析各压杆的屈曲稳定性能。

1）建模。采用实体建模：不带肋的压杆模型、带加强肋的压杆模型。

2）网格划分。单元尺寸设为 20 mm。

3）载荷和约束设置。在压杆的两端设置铰接约束，在压杆的顶部加载竖直向下的 1 N 的力。

4.2 屈曲模态分析

所求得的正的第一阶屈曲模态频率即为压杆的屈曲临界载荷大小，φ114×4不带肋圆管的正第一阶屈曲模态频率为 203 490 Hz，即表明该圆管的屈曲临界载荷为 203 490N（见图 6）。

图6 加载模型

4.3 应力分析

1）对圆管施加步骤 4.2 中求得的屈曲临界载荷203 490 N，分析圆管在该临界载荷下的应力，如图 7 所示，φ114 mm×4 mm 不带肋圆管在该载荷作用下的最大应力为 147 MPa。

图7 φ114 mm×4 mm 不带肋圆管在屈曲临界载荷作用下的最大应力为 147 MPa

2）依次重复上述步骤对其他圆管进行分析，得出各压杆在临界载荷下的最大应力。

3）通过上述计算可知，φ114 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm 圆管加肋后的的最大屈曲应力均超过材料的屈服强度，φ159 mm×10 mm 圆管无论是否加肋其最大屈曲应力均超过材料的屈服强度，以上状态下的杆件均对屈曲不敏感。

4.4 计算比值

将各压杆的最大应力与压杆的屈服强度 235 MPa［2］进行比较，求得各最大应力与屈服强度的比值，如表 1 所示。

表1 最大应力与屈服强度的比值表

4.5 选取截面

从表 1 可以看出，φ114 mm×4 mm 不带肋圆管在屈曲时的最大应力仅为材料屈服强度的 0.63，材料利用率不高；φ140 mm×4 mm 不带肋圆管在屈曲时的最大应力为材料屈服强度的 0.96，材料利用率较高；φ159 mm×10 mm 不带肋圆管在屈曲时的最大应力大于材料屈服强度，说明该种压杆在屈服时还没有屈曲，截面选取偏大。

综上，以φ140 mm×4 mm 截面为限，φ140 mm ×4 mm 以下截面的材料利用率不高，以上截面的选取偏大，将φ140 mm×4 mm 作为极限截面为最优选择。

5 梦时代网架杆件替换方案

5.1 提升工况下需替换杆件

按提升工况进行施工过程模拟，应力比超 0.94 的杆件需进行杆件替换，具体布置如图 8 所示。

图8 提升工况替换杆件

如图 8 所示，提升工况下，计划替换杆件 156 根，其中 80 根杆件为压杆，76 根杆件为拉杆，替换杆件涉及到的截面型号为φ88.5 mm×4 mm、φ114 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm、φ159 mm×10 mm、φ159 mm×12 mm、φ180 mm×12 mm、φ219 mm×14 mm。

5.2 经过分析优化后需替换杆件

经过上述杆件截面筛选，设计阶段替换杆件数量得以优化，具体布置如图 9 所示。

图9 优化后需替换杆件

如图 9 所示，优化后替换杆件 108 根，其中 32 根杆件为压杆，76 根杆件为拉杆，替换杆件涉及到的截面型号为φ88.5 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm、φ159 mm×10 mm、φ159 mm×12 mm、φ180 mm×12 mm、φ219 mm×14 mm。相比于提升工况，经过截面筛选的替换杆件数量得到优化，替换杆件减少了 48 根。

6 结语

本技术的意义在于通过多种模拟计算，确定敏感杆件范围。由于压杆稳定性和杆件长细比相关，因此通过锁定极限长细比，将敏感杆件一分为二，低长细比杆件将直接在设计阶段用更大规格杆件替换，高长细比杆件重点监控，从而大幅度降低由于施工工艺原因需要替换的杆件数量，大大节约施工成本，降低原材消耗，同时有成熟的加固技术可以保障结构安全。

大跨度空间网架结构施工过程的监控及模拟计算是网架杆件加固技术的关键步骤，根据计算分析结果及施工过程监测结果确定重点杆件关注范围，通过采用杆件替换或杆件加固提高杆件的稳定性，从而影响整个受力体系，对新型工艺的施工过程进行有效控制，保证施工过程的平稳、安全。该研究为其他工程的类似研究与应用打下了基础，有利于推动大跨度空间网架结构杆件加固技术。Q