“两阶段”分析法对大跨钢管桁架屋盖设计影响研究

周大兴

（中铁建设集团有限公司 北京 100040）

1 引言

随着我国经济与社会的发展，大跨度钢结构屋盖已广泛应用于机场、车站、会展中心、体育场馆等建筑。对于这些结构，目前一般采用高空原位散拼法、整体／分块吊装法、整体／分块提升或顶升法、滑移法、折叠展开法等进行安装［1］。但随着一些工程事故的出现，这些结构的力学行为，尤其是施工过程的受力情况，逐渐受到重视［2-3］。

在大跨度钢结构的施工过程分析方面，我国已经积累了不少研究成果。如，王秀丽和荣子豪等人利用生死单元法和支座位移法对某空间管桁架结构体育馆进行了施工全过程模拟分析［4］；蔡柳鹤和贾尚瑞等人研究了苏州文体中心体育馆屋盖在滑移施工过程中的力学行为［5］；余滔在研究某改造工程双曲壳体钢结构施工时对该结构的提升过程进行了仿真分析［6］；陈海洲和王玉岭等人对超大面积焊接球网架整体提升过程进行了数值模拟与计算分析［7］；伍中平通过研究超薄巨型钢桁架提升过程变形控制技术对该结构提升过程进行了计算分析［8］；等等。

从研究现状来看，已有文献大多关注施工阶段结构的力学行为，而未分析施工方法对运营阶段结构受力状态的影响。范重和赵长军等人在研究大型钢结构工程分期建造施工模拟技术时指出，在恒荷载工况下，分期施工模拟与一次加载计算得到结果存在差异，其中个别位置的竖向变形差异接近20%，个别杆件的应力差异在40%左右［9］。不过，该文献没有进一步研究施工过程对运营阶段结构在多荷载工况作用下的影响程度。从实际应用情况来看，除索、膜结构外，大跨度钢结构屋盖的设计文件中不会指定施工方法，其计算是按照结构“一次成型”进行分析，这种分析方式相当于模拟了施工中的原位散拼。然而原位散拼施工效率低，施工时往往会采用整体（或分块）提升、滑移等方法。但施工方法往往会改变屋盖在自重作用下受力体系，从而产生内力重分布。不同的施工方法或施工顺序在结构中产生内力分布是不一样的［10］。

鉴于上述原因，研究施工方法对大跨度钢结构屋盖设计的影响以及如何保证结构在施工阶段和运营阶段的受力安全十分必要。

2 屋盖安装的“两阶段”分析法含义

针对大跨度钢结构屋盖的设计与施工，本文结合有关工程实践提出了一种“两阶段”分析方法：首先确定屋盖初步安装方案，分析在施工阶段结构的受力状态（必要时可以采用换杆等措施进行加强）；在满足要求的前提下，进行考虑施工过程影响的运营阶段受力分析验算（必要时可以采用换杆等措施进行加强）；在计算结果能满足“两阶段（施工阶段和运营阶段）”要求后，结构的力学行为才能处于安全可控状态（见图1）。

3 “两阶段”分析法对屋盖设计影响分析

3.1 工程背景

昆明南站总建筑面积33万m2。其屋面采用“正交管桁架+螺栓球网架”结构，桁架主要采用四角型管桁架，螺栓球网架为正放四角锥下弦支撑网架。屋盖东西长411 m，南北宽155.8 m，南北悬挑13.38m。横向基本柱网为三跨（44.9 m+66 m+44.9 m），纵向最大柱距30.85 m。该站屋盖结构体系示意见图2。

图1 屋盖安装的“两阶段”分析法

图2 屋盖结构体系

根据现场具体情况，采用分块提升方式进行屋盖安装。结合结构缝分布（原屋盖结构沿字母轴线有两处结构缝，分别位于：W3与W1、W2之间，W5与W6之间）及高架层施工进度，具体分W1、W2、W3、W4、W5、W6共 6个区域，如图3所示。其中，W6、W5、W3、W4区整体提升，整体提升到位；提升到位后嵌补杆件，嵌补完成后整体卸载。W1区和W2区分两次提升，W1区先提升到位，再提升W2区。该屋盖6个提升区域总重约8 500 t。

其中，W1区屋盖总重约1 450 t，共布置12个提升点；W2区屋盖总重约650 t，共布置8个提升点；W3区屋盖总重约900 t，共布置12个提升点；W4区屋盖总重约1 200 t，共布置11提升点；W5区屋盖总重约2 100 t，共布置16个提升点；W6区屋盖总重约2 200 t，共布置22个提升点。所有提升点均设置在结构柱柱顶。但屋盖结构部分杆件的垂直投影在柱身范围内，因此提升过程中需要将这部分杆件临时拆除，通过临时加固的方式对屋盖进行局部加强。待提升完成后将缺失的原设计杆件进行安装，同时将有关临时杆件进行拆除（见图4）。

图3 屋盖结构施工分区平面示意

3.2 屋盖施工阶段（提升）计算

为便于表达，设某结构在施工阶段分n个子部分，依次按照1，2，3，……，n个阶段完成。则第 i个施工阶段有限元基本方程与内力计算方程为：

式中，Ki为第i个施工阶段时不完整结构的整体刚度矩阵；Ui为第i个施工阶段时不完整结构的节点位移向量矩阵；Pi为第i个施工阶段中第i个子部分的节点力向量矩阵；Ni为第i个施工阶段时不完整结构的杆件内力向量矩阵；ki为第i个施工阶段时不完整结构的单元刚度矩阵；Ai为第i个施工阶段时不完整结构的几何矩阵。

结构位移和杆件内力为：

式中，Uj为第j个施工阶段结构节点的总位移向量；Nj为第j个施工阶段结构杆件的总内力向量。

目前分析计算时一般结合有限元分析软件的“生／死（激活／钝化）单元技术”来模拟结构工程施工过程。这种模拟方式的基本原理就是采用前面所述公式（1）～（4）。计算过程中主要考虑构件自重、提升点的不同步性、风荷载、温度作用等因素影响。本文采用Midas／GEN软件对每个分区进行施工过程分析［11-12］，其中W1区施工过程分析模型见图5。对于吊点及附近结构相贯节点，采用有限元进行局部受力分析，计算模型见图6。

图4 提升点附近杆件布置方案

图5 W 1区分析模型

从计算结果来看，在施工过程中屋盖结构杆主桁架弦杆的最大应力比为0.44，主桁架腹杆的最大应力比为0.46；临时提升加固杆件的最大应力比为0.94，具体见表1。另外，吊点及附近结构相贯节点的最大应力为178 MPa（见图7）。

表1 施工阶段屋盖杆件应力比

图6 吊点及附近结构相贯节点的计算模型

图7 吊点及附近结构相贯节点的应力分布

3.3 考虑施工过程影响的运营阶段计算

根据结构设计原则和基本要求，该站屋盖考虑提升过程影响的运营阶段计算应计入恒载、风荷载、地震作用、温度作用和雪荷载等因素影响，并按照设计及规范要求进行相关荷载及分项系数取值。本文采用Midas／GEN软件进行整体分析，其中W1、W2和W5区整体分析模型见图8。对于节点受力，采用有限元进行分析，计算模型见图9。

图8 W1、W2和W5区分析模型

图9 结构相贯节点的计算模型

在运营阶段，本文对比了实际施工和原设计的计算结果。从表2的有关数据可知，考虑实际施工过程影响时，桁架部分的最大应力比为1.03，网架部分的最大应力比为0.92。其中，主桁架弦杆的应力水平比原设计增加了23%，主桁架腹杆的应力水平比原设计增加了19%。

表2 运营阶段屋盖杆件应力比

图10 屋盖横向桁架结构布置

之所以会出现上述情况，是因为不同的施工方法会导致内力重分布。该站屋盖横向为三跨结构（见图10）。由于提升机构的影响，施工过程中柱顶的部分弦杆不安装。虽然采用了加固杆进行补强，但在柱顶附近的桁架整体刚度仍有所降低。这样，在自重作用下桁架所承受的弯矩分布会产生变化：柱顶附近桁架承受的负弯矩会减小，跨中桁架承受的正弯矩会增大（见图 11a）。对于 W1区与 W2区，二者分界位于中间跨柱顶附近，因此在自重作用下桁架承受的弯矩也将产生明显变化（见图11b）。由于运营阶段结构还要承受其他荷载作用（比如，风荷载、温度作用及地震作用等），部分杆件的受力状态超过原设计预期。

图11 自重作用下横向桁架承受的弯矩

为了保证结构的安全，对屋盖部分杆件进行了换杆（增大杆件的截面）。在满足整体受力要求的前提下，还对关键的相贯节点进行了受力分析。从计算结果来看，相关节点区域附近最大应力为267 MPa，具体见图12。

图12 相贯节点区域应力分布

4 结束语

对于大跨度钢结构的安装，施工过程分析及其影响研究是保证结构安全的重要措施。从本文研究内容可以得出如下结论：

（1）本文提出的“两阶段”分析法不同于传统大跨度屋盖分析方法。该方法不仅保证了结构在施工过程的安全，也可以让结构在运营阶段的受力情况处于安全可控状态。

（2）对于大跨度钢结构屋盖，施工过程带来的内力变化会对结构在运营阶段的受力状态产生影响，且不能忽略。应在施工阶段分析的基础上，研究在运营阶段结构的受力状态。

（3）在大跨度钢结构屋盖的设计与施工中，在分析结构整体受力的同时，应注重研究细部节点受力状态。