某厂房钢网壳结构施工过程分析

某厂房钢网壳结构施工过程分析

赵丹1,2  

中建材（合肥）钢构科技有限公司 安徽合肥230051

合肥水泥研究设计院     安徽合肥230051

[摘要] 以某厂房钢网壳结构作为研究对象，采用 MIDAS Gen 8. 26 软件进行网壳安装全过程仿真分析，包括提升过程受力分析、临时水平拉索索力分析、网壳结构施工过程抗风分析、提升架及拉索卸载分析等 。分析结果对施工方案优化与辅助设施的设计提供可靠依据。

[关键词] 钢结构;膜结构;拱形网壳;仿真分析;拉索;抗风分析

1工程概况

某双层拱形网壳结构，总用钢量约9300t。结构长280m，宽150m，高120m 。  标高64.237m以上为弧形网壳结构，标高28.000m以下部分为圆管桁架，采用插入式柱脚; 标高28.000 ~ 75.000m为平板网架，平板网架倾角为7°。门框结构顶标高120.000m，85.000m 标高以下为双层网壳，网壳厚度 5.84m; 85. 000m 标高处设置门顶桁架梁，外挑20.2m 。  门顶桁架梁至拱顶区域为门头网架，门头网架厚5.4m。山墙为焊接球网架结构，范围从地面直至结构顶部。

2施工方案

本工程采用网壳结构外扩累积液压提升，设立提升支撑架，将网壳分区，根据高度不同均分成 6个提升单元(以下简称单元)和1个吊装单元，通过逐步外扩拼装，提升点置换，逐步提升。安装过程如下 : ①第1单元在拼装平台上拼 装完成，水平临时拉索进行张拉，然后利用液压千斤顶将第1单元提升至一定高度; ②进行第2 单元的拼装，第2单元拼装完成后，网壳整体落位在马凳上，进行水平拉索置换与张拉，将第 1，2单元整体提升一定高度; ③按照以上施工方法，依次完成第 1 ~ 6 单元的提升; ④吊装单元最后采用分块吊装的方法直接安装到位。

3   施工过程分析

本文采用有限元分析软件 MIDAS Gen 8.26的累加模型进行施工仿真分析。

施工方案中进行了6次提升，6次的结构体系转换，以及6次水平拉索的置换与张拉，因此本文取17个模型状态与1次卸载工况进行分析。

3. 1   模型建立

提升过程仅考虑支撑架的竖向弹性支承，提升临时固定采用三向弹性支承，体系转换时采用马凳的竖向弹性支承。水平拉索采用只受拉单元进行模拟。在各提升阶段，对应力比 ＞0. 8 的杆件进行杆件加强与替换，根据施工过程考虑结构的几何非线性、温度等因素建立施工过程模型。

3.2   施工阶段工况

网壳结构的施工阶段模拟分析与验算考虑永久荷载、风荷载、温度荷载、水平拉索预应力以及提升过程不同步作用等。

3. 3   数值模拟结果分析

按照施工过程各状态的数值模拟分析，考虑时变效应，对施工过程、风荷载作用、水平临时拉索的拉力优化进行分析，确保结构施工的安全性与经济性，为现场施工提供依据。

3. 3. 1  提升过程受力分析

1)提升过程变形分析按照各个施工步骤对整个网壳结构进行施工模拟分析，取施工一区两侧对应的2个提升点为控制点分析节点受风荷载作用下y方向位移变化趋势。

①考虑风荷载时，结构位移幅度明显增大，这是由于风荷载作用以水平风为主，施工一区提升点y方向水平位移随提升单元的增加而增大，其中最大位移是控制点4789在CS6-1阶段为159mm; ②当网壳固定于提升架时，从CS1-1到CS6-1的6个阶段，工况CS1-1 和CS2-1控制点水平位移几乎相同，从 CS3-1工况开始控制点4789位移增幅随单元增加较4834逐渐增大;③同样的结构落放到马凳上时，从CS1-2到CS5-2的5个阶段，工况CS1-2和CS2-2水平变形基本相同，从CS3-2工况开始控制点4789的y方向位移增幅较 4834 逐渐增 大，这是因为随着单元的增加，结构的整体刚度减小，结构自身的变形增大; ④当网壳从提升架落放 到马凳上进行支撑转换时(如从工况 CS5-1 至 CS5- 2) ，网壳的竖向约束转换成刚度K弹性约束，这时y方向水平变形减小，因为网壳总位移是提升架水平变形与结构自身变形的和，故其降低幅度应为提升架的水平变形量，CS 表示结构仅提升时的工况。

需在施工时采取限位措施和缆风绳等抗风措施，减小结构的位移，保障施工安全，CSA表示结构施工阶段全过程工况。

3. 3. 2临时水平拉索索力分析

为了抵消网壳提升过程产生的水平推力，减小结构自身变形，每个单元提升时均设8根拉索。针对以上拉索设置进行优化设计并进行模拟仿真计算，在6次提升过程中每次提升拉索的内力包络值。本工程选用的拉索破断力值为3600kN，拉索安全系数均大于 2.0，满足提升安全要求。

3.3.3网壳结构抗风分析

单元1 ~ 3 安装时，结构高度低，所受风荷载相对较小，支撑架能够抵抗水平力的作用，因此前3个单元不拉设缆风绳。第4 ~ 6 单元提升高度较高，提升到位后拉设缆风绳 。根据设计说明相关数据，对施工过程中的抗风措施进行计算校核。在风荷载作用下结构 将产生一定变形，应力有较明显增加，但通过抗风措施，结构各杆件组合应力均未到达设计强度，满足施工要求。

3. 3. 4 提升架及拉索卸载分析

结构的卸载过程分为提升架拆除和拉索拆除2部分。卸载过程应采用油压千斤顶同步卸载，结构落地后进行节点焊接并拆除拉索，拉索拆除采取应力同步释放措施。

经分析，结构卸载时最大z方向位移出现在合龙缝处，主要是屋顶梁下挠引起的变形，其值最大为110.8mm，小于 JGJ7—2010《空间网格结构技术规程》要求，所以结构施工变形满足要求。杆件最大应力为108.8N /mm2，结构的受力性能具有较高的安全储备。

3. 3. 5 网壳合龙仿真分析

本工程采用外扩累积提升的施工方案，根据结构的特点分析可知，沿长度方向结构形式改变较小，但纵向长度较长，为了与设计意图相符，在中间轴线25轴处设置1条合龙缝 。2 个区域施工完成后，再进行合龙施工，减小合龙施工对结构的影响。为了加快合龙施工进度，减小温度变化对合龙施工的影响，考虑采用两侧同时由上至下依次施工。

4   结语

通过 MIDAS 软件对屋盖网架提升及卸载过程进行全过程模拟分析，可得到如下结论。

提升过程中受风荷载影响，控制点 y方向水平位移随着被提升单元的增加而增大，结构自身刚度逐渐降低，提升架水平变形量逐渐增大; 跨中z方向位移由于风吸原因反而呈降低趋势，结构被提升状态下与落放状态时受风荷载影响的位移增幅逐渐减小;当结构被提升过程设置缆风绳时，水平位移y得到较好地控制。

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