大悬挑管桁架空间结构施工过程模拟分析及研究——以铜陵体育馆为例

范家茂，沈万玉，张炳顺

(1.合肥职业技术学院 建筑工程系，安徽 巢湖 238000；2.安徽富煌建筑设计研究有限公司，合肥 230088)

大悬挑管桁架空间结构施工过程模拟分析及研究
——以铜陵体育馆为例

范家茂1，沈万玉2，张炳顺2

(1.合肥职业技术学院 建筑工程系，安徽 巢湖 238000；2.安徽富煌建筑设计研究有限公司，合肥 230088)

针对铜陵体育馆大悬挑三角形管桁架空间结构体系，采用有限元分析软件Midas Gen对大悬挑管桁架空间结构一次成型与分步成型两种情况下施工全过程进行仿真分析，得出结构位移的变化规律，提出通过设置安装构件变形预调值来达到控制施工位移的解决方案。采用设计软件3D3S11进行温度计算，分析了温度变化对结构变形和结构内力的影响程度，为工程施工时选择合适的合拢时间提出理论依据。研究结果对于类似大悬挑管桁架空间结构施工具有借鉴作用。

大悬挑管桁架；空间结构；施工过程；模拟分析

0 前 言

近年来，新型建筑材料和施工新技术在我国建筑工程中的应用越来越广泛，特别是空间结构具有跨度大、施工复杂、技术含量高等特点。由于常规设计通常不考虑结构的施工荷载以及结构在成型过程中位移与应力的变化，这必将影响结构最终成型状态，甚至有可能危及结构施工安全。据调查在我国工程结构倒塌事故中，有50%以上是发生在施工期间，主要原因之一是没有考虑结构在施工过程中位移与应力的动态变化。因此研究大悬挑管桁架空间结构施工过程中的应力与位移的变化规律，对编制可行的施工方案具有重要的理论意义和实用价值。

我国部分学者针对这种结构类型进行了一系列研究，对大悬挑管桁架空间结构设计及施工阶段结构受力分析也做出了一些有效的探索，并取得相当好的研究成果。

张晓燕和郭彦林等通过对深圳会展中心钢结构屋盖起拱方案及施工技术的研究分析，采用多重子结构矩阵位移法分析了不同施工因素对结构的影响，研究结果表明施工过程对结构内力的影响不容忽视。[1]刘学武和郭彦林采用几何非线性钢结构施工力学分析方法，对国家大剧院钢壳体施工支撑体系的结构选型、设计和卸载技术路线进行了研究。[2]陈东和丁克伟研究考虑施工时变性的情况下，对悬挑结构与支撑体系的共同工作机理进行研究，找出随着结构的施工进展，支撑体系与结构之间力的分配规律、结构自身以及支撑体系各杆件之间力的分配和传递规律、进而建立可行的考虑结构参与工作的支撑体系的时变数值计算模型。[3]黄益平和黄卉等通过对工程实例进行研究，详细介绍了六万人标准体育场管桁架结构钢罩棚安装过程中大型钢结构构件安全高效安装、现场异型钢结构精确拼装、科学设置支撑、局部与整体分级平稳卸载以及配套基础施工资源的解决，达到绿色节能高效的目的。[4]

1 工程背景及模型介绍

1.1 工程背景

图1 铜陵体育馆建筑效果图

铜陵体育馆位于铜陵市新区，整体建筑分为混凝土看台和外围大悬挑环形钢结构罩棚，体育场共有31 500个座位，整体建筑钢结构用钢量约为8 200吨，建筑效果如图1所示。

体育馆钢结构包括外围大悬挑环形钢结构罩棚以及下部附属功能平台钢结构。其中钢结构罩棚采用空间管桁架结构体系，主受力构件为48榀落地大悬挑三角形钢管桁架，通过内环封口桁架及支撑系统组成空间稳定受力体系。落地钢管桁架在竖向段为两片平面桁架交叉形式，两片落地桁架间距达22m，落地桁架管桁架立柱采用Φ550×20钢管内灌混凝土形式。上部水平段为三角形悬挑桁架形式，悬挑跨度最大达39.7m，上下弦杆采用Φ(550～402)×16mm变截面，腹杆截面为Φ402×16mm，内环封口桁架弦杆采用Φ351×10mm等，管桁架平面布置如图2所示，单榀主受力管桁架结构如图3所示。

图2 管桁架平面布置图图3单榀主受力管桁架结构示意图

实际施工时，考虑构件运输及现场起吊能力，将单榀大悬挑三角形管桁架分成四个吊装单元进行原位吊装，最大吊装单元长度为32m，重量为68吨。每个吊装单元采用散件运至现场，现场拼装为吊装单元后再进行吊装的施工方案。[5]

根据大悬挑三角形钢管桁架结构特点和分段吊装方案设计，每榀钢管桁架结构布置三个临时支撑点和一个永久支撑点，永久支撑点布置在D-E 轴体育场混凝土屋盖顶部，支撑在悬挑桁架跨中拼接点作为桁架拼接平台，第一个临时支撑架布置在大悬挑桁架的悬挑端部，作为桁架悬挑端的临时支撑点，其余两个支撑架作为人字形立柱的临时支撑点，整个体育场罩棚钢结构共设置192个支撑点，桁架端部48个塔架临时支撑点，临时支撑布置如图4-6所示。

图4 临时支撑平面布置图

图5 悬挑段支撑架布置立面图

图6 钢架人字柱支撑架布置立面图

1.2 施工过程仿真模拟计算模型

1.2.1 计算参数

钢材弹性模量取值为206 Gpa，钢材泊松比取值为0.3，钢材的自重按78.50kN/m3计算，计算温度荷载时钢材线膨胀系数按1.2×10-5m/m℃计算。

1.2.2 计算模型

图7 施工过程仿真模拟计算模型

在有限元软件Midas/gen中建立铜陵体育馆工程有限元模型，大悬挑管桁架空间结构中的弦杆和腹杆、加强支撑桁架和塔柱中的构件均采用梁单元，具体单元尺寸依照设计尺寸输入，按“等截面三维梁单元”模拟，考虑有轴向拉伸或(压缩)、弯曲、剪切、扭转的变形刚度。在单元坐标系和全局坐标系里，梁单元的每一个节点考虑具有6个自由度，即考虑三个方向的线性位移和三个方向的旋转位移。在悬挑部分的管桁架对模拟的梁单元释放梁自由度。[6]主体结构自重由软件自动导入，计算模型如图7所示。

2 实例研究

2.1 结构一次成型仿真模拟

大悬挑三角形管桁架空间结构的设计是根据结构受一次性加载来进行计算的，结构一次成型下的仿真模拟是采用施工过程全部结束后结构所受荷载一次性加载到结构上观察结构的响应为目标。[7]

铜陵体育馆大悬挑三角形管桁架空间结构在一次成型情况下，结构在X方向、Y方向、Z方向位移分布及结构的总位移分布如图8所示。

(a)结构X方向位移分布(b)结构Y方向位移分布

图8 一次成型结构整体位移分布

通过对大悬挑三角形管桁架在一次成型情况下的计算分析，通过计算结果可以得出在施工过程中整体结构变形主要是Z方向的变形。各个方向的变形情况如下：X方向的最大位移为8.29mm，Y方向的最大位移为5.11mm，Z方向的最大位移为44.79mm，整体结构总位移最大为45.19mm。

2.2 结构分步成型仿真模拟

按照施工方案中的结构分布成型安装过程，采用有限元软件Midas Gen对整个施工安装过程进行仿真模拟，分析过程中，采用节点弹性支撑来模拟支撑胎架对结构的支撑作用。[8]整个钢结构的安装过程分成6个施工阶段，其中钢结构吊装过程分为5个施工阶段，卸载过程为1个施工阶段，施工阶段的模拟是通过激活不同的结构组、边界组及荷载组来进行模拟。卸载阶段采用的是对边界组进行钝化的方法来模拟支撑架的卸载。[9]各个施工阶段计算结果见图9。

通过对大悬挑三角形管桁架在分布成型情况下的计算分析，通过计算结果可以得出在施工过程中整体结构变形主要是Z方向的变形。各个方向的变形情况如下:X方向的最大位移为7.39mm，Y方向的最大位移为4.62mm，Z方向的最大位移为40.51mm，整体结构总位移最大为40.89mm。

通过对比一次成型和分布成型两种不同的计算结果， X方向位移最大值相差0.7mm，相对增加9.45%;Y方向位移最大相差0.5mm，相对增加10.82%;Z方向位移最大相差4.3mm ，相对增加10.61%;整体结构总位移相差为4.3mm，相对增加10.51%。

采用Midas Gen有限元分析中提供的施工阶段仿真模拟对拟定的施工方案中结构施工全过程进行跟踪分析，得出施工全过程中结构变形变化的数据，对比两种成型情况下节点结构整体的位移变化，X、Y、Z方向的位移变化均在10%左右，结构在悬挑端部位移变化比较明显，因此对大悬挑三角形管桁架空间结构施工过程中进行位移控制是必要的。管桁架属于刚性结构，变形控制可采用以上的分析结果，施工过程中在安装构件悬挑端部设置向上的变形预调值来补偿结构的变形，从而达到控制施工位移的目标。[10]

(a)施工第一步

(b)施工第二步

(c)施工第三步

(d)施工第四步

(e)施工第五步

(f)施工第六步

图9 施工阶段流程分析

2.3 结构合拢时温度影响计算分析

温度作用主要考虑太阳辐射、气温变化等因素，作用在构件或结构上的温度作用应通过其温度的变化数值来衡量。钢材的线膨胀系数αT=1.2×10-5m/m℃，所以管桁架属于对气温变化较敏感的结构，为安全起见，应考虑极端气温的影响，基本气温Tmax和Tmin可根据工程所在地施工期间气候条件作适当调整。施工阶段的管桁架通常依据结构的朝向和表面吸热性质考虑太阳辐射的影响。管桁架空间结构的最高初始平均温度和最低初始平均温度可根据其合拢成形的时间确定，或根据施工期间其可能出现的温度按不利情况确定。[11]

依据铜陵体育馆工程施工调查资料，确定合拢时温度基于+10～16℃，作用结构的温度工况为20℃，为研究温度变化对结构成形后的影响，采用设计软件3D3S11进行温度计算，分析了整体结构在三种工况(①：1.0D；②：1.0D+1.0T；③：1.0D-1.0T)作用下，其竖向位移和构件强度的变化趋势，总结了温度变化对环形超长构件受力性能的影响。其计算输出结果如图10所示。

(a)1.0D工况竖向位移图

(b)1.0D工况竖向应力图

(c)1.0D+1.0T竖向位移图

(d)1.0D+1.0T竖向应力图

(e)1.0D-1.0T竖向位移图

(f)1.0D-1.0T竖向应力图

图10 温度计算输出结果

环形超长构件计算结果输出数值整理如表1所示。

表1 计算结果

计算分析结果表示，大悬挑三角形管桁架空间结构体系中，尽管管桁架结构的空间刚度和协调变形能力较好，但是，温度的变化对结构成形后的变形和构件强度影响较大，相对合拢温度，温度升高20℃，内环檐口构件竖向位移为-32.9mm，标高提升8.3mm，竖向位移降低了20%，而构件的最大应力比增加了10%；相对合拢温度，温度降低20℃，内环檐口构件竖向位移为-62.2mm，标高降低了21mm，竖向位移增加了51%，而构件的最大应力比增加了5%。分析比较可知：温度升高，对结构的竖向位移有利，其代价是构件的内应力增加，即对构件的应力比控制不利；温度降低，对结构的竖向位移不利，同时，构件的内应力也有所增加，相对温度升高情况较小，即对构件的应力比控制也是不利的。

在实际工程应用中，大悬挑三角形管桁架结构体系，其环形超长构件依据设计文件中的规定，选择温度较低的合拢温度时，需要确定当地的构件表面最高太阳辐射温度，复核结构强度的验算，避免由于温度的升高，构件的应力比超出设计范围；选择温度较高的合拢温度时，需要分析并确定大悬挑三角形钢管桁架结构的预起拱值，做好悬挑结构的竖向位移控制，使卸载成形后的悬挑结构竖向位移满足设计要求。

3 结 论

文章针对大悬挑管桁架空间结构施工过程，利用Midas Gen有限元分析软件，对大悬挑管桁架钢结构的施工过程进行了模拟仿真分析；采用设计软件3D3S11进行温度计算，对管桁架在温度应力影响下的结构合拢情况进行研究。共得出如下结论：

(1)利用Midas Gen有限元分析软件，分别分析了结构一次成型与分步成型两种情况下结构位移的变化规律，提出通过设置安装构件变形预调值来满足实际施工需要的解决方案。

(2)通过研究管桁架空间结构合拢时的不同温度变化情形，分析温度变化对结构的变形和结构内力的影响程度，为工程选择适宜的施工合拢时间提供理论依据。

[1] 张晓燕，郭彦林，黄李骥，等．深圳会展中心钢结构屋盖起拱方案及施工技术[J]．工业建筑，2004，34(12)：15- 18．

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[责任编辑：张永军]

Simulation Analysis and Research Review on the Construction Process of the Large Cantilever Pipe Truss Spatial Structures:Taking the Tongling Stadium as an Example

FAN Jia- mao1， SHEN Wan- yu2，ZHANG Bing- shun2

(1.Department of Architecture Engineering,Hefei Technology College,Chaohu 238000, Anhui；2.Anhui FuHuang Architectural Design Research Limited Company, Hefei 230088,China)

Aiming at the spatial structure system of the large cantilever triangle pipe truss on the Tongling stadium, the whole construction processes were simulated and analysed by the finite element analysis software Midas Gen in the both cases of a molding and multistep molding.The law of structural displacement has been gotten.The solutions of Controlling the displacement of the construction have been proposed by Setting up the preset values of the installation components deformation. The temperature change on the influence of structure deformation and internal force was analysed by the design software of 3D3S11.Theoretical basis has been proposed for choosing the right time to fold in the engineering construction. The results of the study could be a reference for the construction of the similar large cantilever pipe truss spatial structures.

large cantilever pipe truss；spatial structure；construction process；simulation analysis

2016-10-28

2017-03-01

2015年安徽省高等教育振兴计划项目(2015zdjy194)资助。

范家茂(1967— )，男，安徽无为人，合肥职业技术学院建筑工程系副教授、国家注册监理工程师，一级建造师；研究方向：建筑与土木工程。

TU745.2

A

2096-2371(2017)02-0099-07