大跨度复杂钢结构屋盖施工模拟分析

王 棋

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

大跨度钢结构因其使用空间大、造型美观、经济性好等特点，在体育馆、艺术馆、交通枢纽等公共建筑中得到广泛应用。但大跨度钢结构施工难度大且周期长，在整个施工过程中其受力状态也在不断改变，施工荷载、边界条件、结构形态的变化都会影响构件的最大应力和最大位移。因此，为保障大型复杂钢结构的安全性，控制结构施工满足规范要求，有必要进行施工阶段模拟分析[1-2]。

目前，国内外学者针对大跨度复杂钢结构施工模拟分析做了大量研究。张君等[3]通过对天水体育中心游泳馆屋盖结构施工过程进行数值模拟计算及现场追踪监测的分析对比，研究了施工方案的可靠性及结构的安全性；李志强等[4]通过模拟分析对比了4种大跨度钢结构施工方案，提出了基于应力比和变形值最小偏差的方案有效性评判原则；仝晓莉等[5]研究了施工过程中温度变化对结构力学响应的影响，表明考虑安装温度与否会引起施工时结构节点位移与杆件轴力计算结果的较大偏差。

本文针对某大型体育馆的大跨度钢结构屋盖，利用Midas Gen有限元软件模拟分析屋盖结构装配、临时支撑拆除等重要施工步骤，研究施工过程中结构力学响应，为工程施工方案提供理论支撑，并为此类工程的施工分析提供参考。

1 工程概况

1.1 结构简介

该体育馆屋盖为大跨度空间网架结构，整体建筑造型呈贝壳状起伏，结构外形接近椭球壳状。屋盖结构的平面投影呈椭圆形，短轴为152 m，长轴为243 m，短轴剖面最大矢跨比为1/7，长轴剖面最大矢跨比为1/14，屋盖最高点标高约32 m。长轴方向架设一道长243 m的主桁架，屋盖短轴主受力方向共布置25道拱形钢结构空间管桁架主梁，屋盖的支座将南北向桁架主梁分为3跨，中间主跨度为94.8 m，两端跨跨度均为12.6～23.6 m。屋盖平面结构如图1所示。

图1 屋盖钢结构三维模型

1.2 施工方案

针对体育馆屋盖跨度大、桁架结构复杂等特点，并综合考虑施工场地条件及类似工程施工经验等，对屋盖结构采用分块吊装、高空拼接等方法进行安装。

(1)为了保证施工过程中主桁架和边桁架的稳定性，根据屋盖网架结构体系的受力特点，在东西向主轴线上的中心点处，以及左右两端距离中心点59 m处设置3个四肢格构式支撑胎架，胎架模型及搭设位置如图2所示。

图2 胎架结构模型及胎架布置

(2)先利用胎架组装搭建东西向长跨主桁架，然后从主桁架的一端安装边桁架，再以主桁架为中轴线在其左右两侧对称安装桁架主梁及次桁架。

(3)桁架主梁和次桁架按照顺序从主桁架西端开始往东端进行安装，当安装到主桁架的3/4跨位置处时，又在主桁架的东端安装边桁架，再将剩下的1/4跨的桁架安装完整。

(4)最后在局部安装封闭桁架和联系桁架，然后按顺序卸载临时支撑胎架。

2 施工模拟

由于在施工过程中，随着桁架结构单元、结构刚度、边界条件以及施工荷载的不断改变，已安装好的钢结构会不断产生内力重分布，结构自身的力学属性也在不断变化。本文采用有限元软件Midas Gen对体育馆屋盖的整个施工过程进行模拟分析，研究结构在不同施工阶段的受力及变形情况。

计算模型结构主要包括上弦桁架、下弦桁架以及腹杆3部分，所有杆件均采用热轧无缝钢管。杆件均采用Q345B级钢材，屈服强度为345 MPa，弹性模量为2.06×105MPa，材料容重为7 698 kg/m3。上弦杆大部分截面为φ159×6 mm和φ245×14 mm，下弦杆大部分截面为φ351×12 mm和φ402×16 mm，支撑胎架截面采用HW300×300×10×15 mm。所有构件统一采用6自由度的梁单元模拟。屋盖内圈南北两侧采用有弹性约束的支座铰接固定，其余内圈支座采用单向固定铰接；外圈支座均采用双向固定铰接；胎架与屋盖主桁架之间的节点采用刚性连接。施工过程中的荷载为结构杆件自重，考虑到施工材料、构件节点重量的折算以及结构的安全性，自重系数取1.2。

在结构施工模拟分析过程中，根据施工方案中不同安装阶段结构拼装的实际情况，将不参与整体结构分析的构件“钝化”，并依照分段安装顺序将构件逐次“激活”，以模拟构件安装过程中每一阶段真实的力学性能变化。在屋盖主体结构构件全部安装完后，同样使用“钝化”模拟支撑胎架的拆除，对支撑胎架卸载后的整体结构受力变形情况进行验算分析。建立的有限元结构模型如图3所示。

图3 施工模拟有限元模型

3 结果分析

屋盖装配过程复杂冗长，胎架拆除过程又极为关键，所以结合主桁架跨度和胎架位置划分吊装单元，综合考虑拼装过程中的最不利情况，选择了8个关键施工步骤结果进行分析，各步骤下的结构位移和应力如图4、图5所示，其中步骤8为支撑胎架卸载后结构整体的受力变形情况。由图4、图5可以看出，在屋盖结构装配全过程中，除步骤2外其余步骤最大位移除均出现在主桁架中间两跨的跨中位置，最大应力出现在主桁架与胎架连接处的腹杆上。步骤2的最大位移出现在装配好的边桁架的两端，这是因边桁架两端无支撑而处于悬臂状态。在其中整个安装过程中的最大位移和最大应力均出现步骤5，表明这是钢结构施工过程中的最不利情况。该步骤下位移最大值为39.47 mm，最大位移与跨度比值为1/1 495，远小于规范容许值1/400；此刻的最大应力值为188.65 MPa，小于应力屈服值345 MPa。

由步骤3到步骤7可以看出，随着主梁和次桁架在主桁架上的不断装配，桁架构件在结构变形协调过程中不断发生内力重分布，最终形成稳定受力体系。最大竖向位移值先不断增大，达到步骤5的最大值后又逐渐减小；最大应力值在桁架未形成稳定结构体系时增幅明显，当形成稳定桁架单元后最大应力值也达到稳定，变化值很小。步骤8为支撑胎架卸载后屋盖结构的受力和变形情况，其最大位移出现在整体桁架结构的中心处，最大应力出现在内圈支座节点处，最大位移值为65.60 mm，最大应力值为256.82 MPa，均满足规范要求。对比步骤7和步骤8可以看出，在胎架拆除后桁架的最大竖向变形由中间两跨的跨中向屋盖中心位置转移，最大位移值的增幅达81%；最大应力值由胎架支撑处向结构周围扩散，卸载前后增幅达41.4%，说明临时支撑结构受力较大，拆除后结构发生了明显的内力重分布。

4 结论

本文对某体育馆屋盖结构的施工过程进行模拟分析，根据施工方案对8个典型工况的最大应力和位移进行验算。结果表明，在屋盖桁架装配过程中，最大位移为39.47 mm，最大应力为188.65 MPa，满足规范要求和承载力极限状态要求，说明该结构在各施工阶段均处于安全状态；临时支撑胎架受力较大，卸载后结构发生了明显的内力重分布。模拟结果为该工程施工过程的安全性提供了理论支撑，并为类似工程的施工模拟分析提供了参考。

图5 屋盖钢结构应力云图