大跨度平板钢网屋架结构整体提升施工过程力学分析

王文芳（兰州石化职业技术学院，甘肃　兰州730070）



大跨度平板钢网屋架结构整体提升施工过程力学分析

王文芳
（兰州石化职业技术学院，甘肃兰州730070）

摘要：目前国内建成的钢网屋架多为曲面结构或网架与桁架的组合结构，施工方法主要采用高空散装法、分条分块安装法、高空滑移法、整体吊装法等技术。对于场地狭小、施工干扰大、网架跨度大的平板结构钢网屋架多采用整体提升或顶升法施工，这两种施工方法的特点是施工功效高、成本低，钢网屋架区部受力敏感、变形控制难度大。因此采用这两种方法施工时要对网架结构的施工受力情况进行精确的验算，对薄弱部位合理的加固，以减小施工变形，以确保施工质量。本文以某客车整备棚平板式钢网架为工程实例，研究平板结构钢网屋架整体提升时的吊点设计和施工过程的受力情况，合理的设计了9处提升吊点，计算了施工过程中网架的节点的位移、杆件的受力和应力情况，依据计算结果对薄弱杆件进行更换和加固，最终顺利完了钢网屋架的施工。

关键词：大跨度；平板钢网屋架；整体提升；力学分析

随着我国经济的快速发展，大跨度钢网屋架在建筑工程中的应用日益广泛，我国已经建成的钢网屋架主要用于机场、高铁车站、工业厂房、大型公共设施等，钢网屋架也多采用曲面结构或网架与桁架的组合结构，其施工技术可以总结为高空散装法、分条分块安装法、高空滑移法、移动支架安装法、整体提升或顶升法等［1］，对于结构和施工环境复杂的大型钢网屋架多采用整体提升或顶升法施工［2-8］，如潮汕机场钢网架屋盖、上海虹桥机场东航机库屋顶网架、上海浦东国际机场A380大修机库钢屋盖、浦东机场波音机库钢屋盖、西飞公司369号飞机总装厂房钢网架屋盖、西安东航维修基地新机库钢屋盖等，均采用了整体提升法施工，整体提升法施工的难点在于如何解决提升设备的同步问题，网架结构的局部受力变形问题。本文以某客车整备棚平板式钢网架为工程实例，研究采用整体提升施工时的吊点布设，计算各种施工工况下的网架受力变形状况，然后依据计算结果对网架节点和杆件进行合理的抽换和加固，以保证施工质量和安全。

1　工程概况

某客车整备棚钢网架为正交正放四角锥平板式网架结构，网架覆盖面积32330m2，1～15轴、41～68轴为双层螺栓球网架，16～40轴为三层螺栓球网架（如图1所示）。杆件选用Q345B，直缝钢管，螺栓球为45号钢，高强螺栓选用GB3077中的20MnTiB 或40Cr，封板锥头为Q345B钢锻件，套筒选用Q345B钢。16～40轴间的三层螺栓球网架长轴长195m，短轴长60m，面积11700m2，网架上弦找坡，自身高度为5.5m，下弦就位标高为+11.300m。网架总重量约为580t，东西两侧为既有铁道和道路，由于下部存在公路隧道隧道下穿的情况，网架局部跨度达到78m，采用整体提升法施工。

2　整体提升方案设计

16～40轴的三层螺栓球网架跨度大、吨位大、杆件数量、规格众多，面积达到11700m2，支座为多点不规则布置，且有隧道下穿经过。受工期的限制，东西两侧1～15轴、41～68轴的双层螺栓球网架已经采用小面积起吊法拼装完成，而南北两侧受铁道和道路的限制，无法采用高空滑移和高空散拼法施工，故采用原位拼装网架后，整体提升法安装。

采用原位拼装整体提升法施工的原理是，先在原地面拼装网架，预留混凝土立柱部分和提升塔架部分的杆件不安装，然后选择合理的吊点起吊，逐步提升至设计高度以上，安装支座及混凝土立柱部位预留的杆件，然后逐步下落网架于混凝土立柱上，最后拆除提升塔架、安装塔架部位预留的杆件完成安装。

纯平板结构钢网架屋盖相比于网架桁架组合屋架，其结构对于区部受力状态的变化更敏感，提升过程中网架变形控制难度很大，需要对提升工况的网架结构进行精确的验算，对结构进行合理的加固，以减小施工变形，以满足网架自身强度、刚度、稳定性等方面的要求。

3　钢网架吊点设计及施工过程受力检算

3.1钢网架吊点设计

根据本工程的特点，吊点设计时考虑以下问题：①由于钢网架面积大，为平板结构，吊点尽量布设在支座附近，确保吊点受力状态最接近支座的工作时的受力状态，以减少杆件更换和加固的数量。②支撑柱为钢筋混凝土结构，在钢网屋架提升前施工完成，网架提升时预留混凝土支撑柱部位的杆件不安装，吊点要避开预留杆件部位。③隧道下穿部位的地基不能设置提升架，对应的钢网屋架部位不能设置吊点。

考虑以上三个因素，采用门式提升塔架结构（如图2所示），提升塔架处钢网架杆件预留不安装，钢网架上设置了9处起吊点，在钢网架E-F侧设置4处吊点，分别为D1～D4，在E-D侧也设置4处吊点，分别为D6～D9。由于在整备棚东边跨D3～D4、D8～D9提升点跨度较大，E-E中轴线上设置D5吊点，减小D6～D9吊点的反力。

图2　钢网屋架整体起吊图

3.2钢网屋架施工过程受力检算

整个施工过程可分为4个工况，采用空间网架结构分析设计程序对4种工况分别进行受力检算。第Ⅰ种工况为提升阶段，提升吊点可以视为弹性饺接支座，整个网架相当于局部抽空后落在9个弹性饺接支座上，检算提升点杆件的受力变形情况，依据计算结果对变形较大杆件进行加强；第Ⅱ种工况为提升到位后，补装因混凝土柱而预留的网架球节点和杆件，整个网架相当于落在9个弹性饺接支座上，此时的荷载较工况Ⅰ增加了预留杆件和节点的自重；第Ⅲ种工况为网架落在16个支撑柱支座上，9个弹性饺接支座不再受力；第Ⅳ种工况为网架落在16个支撑柱上进行加强杆件抽换。

4种工况条件下的计算参数见表1。

工况Ⅰ和工况Ⅱ是钢网屋架的提升阶段，此时网架的支撑点为9个，工况Ⅱ在工况Ⅰ的基础上安装了预留混凝土支撑柱处的网架节点和杆件，节点增加了50个，杆件增加了400个；工况Ⅲ、工况Ⅳ为网架回落至支撑柱，此时的支撑点为16个，工况Ⅳ较工况Ⅲ荷载增加了，节点增加了18个，杆件增加了216个。工况Ⅲ和工况Ⅱ的节点、杆件均未发生变化，只是网架结构的支撑点发生了转化，由9点支撑变为16点支撑。

经过计算，四种工况吊点及支点处反力值见表2，工况Ⅰ和工况Ⅱ为提升阶段，D2吊点处的反力最大，两种工况时的反力分别达到了1048KN和1098KN；工况Ⅲ和工况Ⅳ为网架回落至支撑柱时的状况，Z8支点处的反力最大，两种工况时的反力分别达到了1649kN和1942kN。

节点位移计算结果见表3，对比计算结果发现，工况Ⅰ的X、Y、Z向位移最大，其位移值分别为-5.4mm、4.7mm和-49.3mm；这是因为工况Ⅰ中部分吊点处杆件抽空，致使杆件应力集中，发生变形引起位移过大，工况Ⅱ补装了抽空部分杆件，应力集中现象得到改善，节点位移相对变小。工况Ⅲ和工况Ⅳ只是在更换杆件，节点位移基本无变化。

表1　四种工况计算参数

表2　吊点和支点处反力值

表3　节点位移计算结果

表4　杆件最大应力比计算结果

杆件最大受力及应力比计算结果见表4，工况Ⅰ、工况Ⅱ杆件最大压力变化较大，最大拉力基本无变化；工况Ⅲ和工况Ⅳ最大拉压力均无明显变化，杆件最大应力比为0.98，均小于1，故各种工况中没有超应力杆件。

为了确保网架结构施工安全，考虑安全系数后，将应力比超过0.9的杆件更换为加强型杆件，计算得出工况Ⅰ中发现应力比大于0.9的杆件多达70条（见表5），工况Ⅱ中存在应力比大于0.9的杆件与工况Ⅰ相同，但数量减少，工况Ⅲ、工况Ⅳ没有应力比超过0.9的杆件；逐一更换工况Ⅰ中应力比超0.9的杆件为加强型杆件后，再次检算没有出现应力比超0.9的杆件。

表5　应力比超0.9的杆件统计表

通过以上计算，可以看出提升阶段吊点的最大反力小于回落至支撑柱时支座的最大反力，提升阶段工况Ⅱ为最不利工况，网架回落至支撑柱时工况Ⅳ为最不利工况，节点最大位移在容许范围之内，各种工况没有超应力杆件。在后续的施工过程中，严格按照计算结果将应力比超过0.9的杆件更换为高强杆件后，网架节点位移在规范容许范围之内，没有发生杆件变形扭曲，顺利完成了施工（如图3所示）。

图3　钢网屋架吊装完成就位图

4　结论

纯平板结构钢网架屋盖相比于网架桁架组合屋架，其结构对于区部受力状态的变化更敏感，提升过程中网架变形控制难度很大，通过制定合理的提升方案，并对提升工况的网架结构进行精确的验算，得出各种工况下网架结构中杆件的最大受力与应力比，节点位移等参数，对软弱部件进行更换和加固，顺利完成了施工，总结如下结论：

1）安装大跨度纯平板结构钢网架屋盖受狭小空间限制时，采用原位拼装后提升的施工工艺是可行的，但是施工工序要进行严格的结构检算，确保结构变形控制在规范容许范围内。

2）采用9个吊点进行网架提升的设计思路合理，吊点尽量靠近支点部位可使节点受力状态最接近支座的工作时的受力状态，对整个网架体系的影响最少，提升时产生的超应力杆件的更换量也最少。

3）网架提升阶段，因预留混凝土支撑柱处的网架节点和杆件使钢网屋架局部抽空，出现吊点处个别杆件应力集中，节点位移最大，应力比超0.9的杆件达到70根，施工时将这些杆件替换为高强杆件后顺利完成施工，节点位移和杆件应力均在规定范围之内。

参考文献：

［1］JGJ7-2010空间网格结构技术规程［S］.

［2］曾令权，郭正兴，罗斌，等.胡明坡.潮汕机场航站楼钢屋盖整体提升技术［J］.施工技术，2011，40（1）:70-72.

［3］陆宁.大跨度钢结构网架整体液压提升技术及安全措施［J］.建筑施工，2011，33（3）:194-209.

［4］刘建飞，钟新国，周林，等.某超大单跨钢屋盖液压同步整体提升施工技术［J］，施工技术，2010，39（4）:98-101.

［5］苗丽丽.太原机场大跨复杂钢结构的设计与施工技术研究［D］.太原理工大学，2010.

［6］田黎敏，郝际平，李存良，等.大跨度钢屋盖结构的整体提升施工技术［J］.建筑科学2014，30（11）:103-111.

中图分类号：TV394