大跨度钢结构屋盖吊装与卸载全过程模拟分析

李广地 李先猛

1.长江精工钢结构（集团）股份有限公司 安徽 六安 237000；

2.通州建总集团有限公司徐州分公司 江苏 徐州 221600

引言

近年来，随着全民健身正式上升为国家战略，各地方为构建高水平的全民健身公共服务平台以及提高居民生活的幸福感，各地方的全民体育馆工程应运而生。体育馆的屋面结构大部分为大跨度钢结构，而大跨度结构规模大，施工周期长，施工过程复杂多变，并且整个施工过程是分阶段进行的，不同的施工阶段结构具有不同的受力状态，随着工程进度的变化，结构的整体受力以及位移都会存在大幅度变化的风险，因此在施工前期，对于大跨度结构施工选择科学合理的施工方案，以及有效的施工模拟，对保证大跨度钢结构的安全性具有重大意义[1]。

目前，很多学者对大跨度钢结构的施工过程模拟进行了大量研究。邹孔庆等[2]采用大型有限元分析软件对凤阳体育馆的钢屋盖进行了三维结构计算模拟，验证了施工过程的安全性、结构成型的合理性。吴晶晶[3]对赖阳体育场钢结构的顶升和卸载进行施工全过程仿真模拟分析，并根据分析结果，设计出摇摆柱的限位工装，对实际施工给以科学指导。王秀丽等[4]采用Midas Gen有限元软件对某大型体育馆钢结构进行施工过程仿真模拟分析，并将结果与不同的加载工况进行对比分析，一次加载的结果显著小于施工阶段分析的结果。吴穷等[5]采用Midas Gen对武汉光谷网球中心按照施工顺序进行全过程的仿真分析，并将有限元分析结果与实际监测结果进行对比分析，验证了有限元模拟的正确性和施工方案的合理性。田黎敏等[6]对大跨度钢屋盖的同步提升施工进行了有限元模拟，并通过不同的提升分析，提出了“单、隔点组合不同步分析法”，并给出了减轻提升不同步性的措施。范重等[7]对国家体育场钢结构采用逐步“激活”单元技术对钢结构安装过程进行模拟计算，结果表明，施工的顺序对钢结构的内力与变形有显著的影响。

综上所述，大跨度钢结构由于自身结构的特性，其施工过程对最终结构的是否安全使用至关重要。本文作者针对宝应体育馆大跨度钢屋盖结构，采用Midas Gen有限元分析软件，对钢屋盖的分段吊装、卸载进行施工仿真模拟，通过施工非线性计算可以确定结构和构件在施工过程中的薄弱之处，从而可以指导施工安装过程中辅助措施的设置，为后续相同工程的施工提供建议。

1 工程概况

宝应体育综合馆位于宝应县城南新城宝南湖南侧，体育综合馆包含体育馆、游泳馆以及全民健身中心三大部分，由于宝应是中国荷藕之乡，体育馆设计充分体现了这一元素，“三馆合一”的体育馆则似三朵含苞待放的荷花。同时，生态体育公园艺术建筑和宝南湖水面倒影效果非常突出。

体育馆内座位数3585个，屋面标高15.00～25.937m，主体采用现浇钢筋混凝土框架结构，屋面采用平面钢管桁架结构体系，水平投影跨度127m，其中平面钢管桁架结构体系由7处纵向主桁架、4处横向主桁架以及外围的悬挑桁架和环桁架组成。

2 吊装与卸载施工方案

由于体育馆的屋面跨度大，故屋面的安装是本工程的重难点。本项目的吊装方案主要是由屋面吊装方案来决定的。常用的大跨度钢结构安装施工方法主要有：整体提升法、整体顶升法、高空散装法、滑移法、整体吊装法等[8]。根据体育馆的结构特征，屋面钢结构可供选择的施工方案主要有按径向分区整体提升的施工方案与高空对接整体卸载两种方式。

体育馆独特的结构形式决定了屋盖部分整体提升不可行，原因有以下几点：①整体提升需设多个吊点，提升不同步易导致结构破坏；①屋盖部分以平面主桁架和次桁架为主要承重杆件，平面外刚度差，提升过程屋盖部分变形难以控制；③根据结构情况，体育馆内部混凝土结构及三面看台等土建设施完工后才能施工钢结构，不具备整体拼装场地条件。综合以上原因分析，屋盖钢结构平面桁架采用高空分段对接整体卸载的施工方法。

高空对接属于结构原位安装，全过程无额外应力增加，基本处于零应力状态下进行安装。在拆除支撑后，结构直接转变为设计受力状态，这样结构整体安全性就能够把握。在每个小的结构单元安装完成后都自成体系，不影响其他工种的施工，对于混凝土结构的施工也没有特殊要求。在两台履带吊进行吊装施工的情况下，整个体育馆的安装工期也可以大大缩短。

3 构件现场吊装与卸载

3.1 现场吊装验算

体育馆屋面主桁架的安装精度决定着整个屋面的安装精度。单根主桁架长度最长为106m，总重约为30吨，需要将其分为4段吊装，单个吊装单元的长度较长且刚度相对较弱。在吊装过程中需要多点起吊，以防止其变形，另外在吊装前需进行桁架吊装验算。构件吊至指定位置后，通过构件两端的定位耳板进行定位，待耳板上的螺栓全部顺利穿过后，表示定位完成。随即拧紧螺栓，整个主桁架全部就位后，本着“单杆双焊，双杆单焊”的原则，开始对构件进行焊接。焊接需满足设计要求。在整根屋盖圆钢管主桁架焊接完毕后方可拆除耳板。（屋面主桁架分段吊装详见主结构安装总体流程。）主桁架吊装过程中验算分析：

图1 HJ1-3吊装过程验算一

图2 HJ1-3吊装验算二

3.2 支撑架卸载与拆除

为确保钢结构屋面在空中准确对接，且在现场吊装时需要控制应力及挠度，即悬挑管桁架柱在分段吊装就位时必须合理设置支撑架，确保其挠度变形在可控范围内。在屋面吊装完毕后进行屋面桁架卸载。

在卸载时，根据“变形协调、卸载均衡”的原则，将通过放置在支架上的可调节点支撑装置千斤顶，多次循环微量下降来实现“荷载平衡转移”。具体卸载方法：首先将千斤顶顶升至一定高度后，移除顶部第一块垫板（图3-a），再缓慢降低千斤顶顶部标高，如此反复，逐渐拆除垫板，待桁架不在下落时，卸载完毕，再移除千斤顶以及临时支撑架（图3-b、图3-c）。由于在卸载过程中同一卸载步骤中的各支撑点无法做到绝对同步，支架支撑点卸载先后次序不同，其轴力必然造成增减，故需应根据设计要求或计算结果，在关键支架支撑点部位，放置检测装置（如贴应变片），检测支架支点轴力变化，确保临时支架和桁架的安全。

图3 卸载过程示意图

4 全过程有限元分析

4.1 施工过程分析理论基础

施工过程分析与传统的工程设计计算主要有以下不同：一是作用的不是使用载荷，而是施工载荷，主要包括结构自重、施工材料等，其特点是数值与位置随时间发生变化；二是随施工过程结构形状发生变化，原本的结构在施工过程中发生内力重分布；三是每个施工过程都有自己特有的边界条件，且随着施工的进展边界条件随之改变结构的刚度、边界条件、施工荷载随时间不断变化，表征为时空演变的特性。因此，施工过程分析属于时变力学的范畴。

本文采用有限元软件Midas Gen的施工阶段分析模块模拟施工过程，每个施工阶段模拟是通过定义任意时刻荷载的施加与解除、单元的产生与消失以及边界条件的变化来实现。

4.2 模型参数信息

项目中以中国规范、规程以及业主提供的图纸及招标文件资料为依据。在施工模拟验算过程中，考虑了结构自重以及施工过程中所可能出现的荷载，并由程序自动计算。钢结构模型均选用两节点、六自由度的frame单元模拟，该单元可以考虑拉（压）、弯、剪、扭四种内力的共同作用。

4.3 吊装施工过程分析

通过有限元模拟对体育馆钢结构的空中对接吊装施工进行了施工模拟，并且将每一步吊装安装后的竖向位移进行云图展示。在最开始的吊装模拟中，最大竖向位移在外围的圈梁上（图6）；将两侧屋盖主桁架吊装上后，最大竖向位移位于主桁架的跨中位置；由于屋面中间的跨度较大，故在屋面中间设置临时支撑，可以从图中看出，最大竖向位移位于两侧屋盖柱与中间临时支撑的跨中位置，且竖向位移要明显小于两侧屋盖跨中位移，这是由于屋面中间的主桁架高度大于两侧屋面桁架高度，故屋面中间主桁架抗弯刚度较大，竖向位移较小。

从施工过程云图（图4～图7）可以看出，在主桁架的跨中区域竖向位移最大，故在构架加工过程中，对该部分进行了约65mm的预起拱，故验算结果可以满足设计要求。

图4 柱上主桁架吊装计算云图

图5 屋面两侧主桁架吊装计算云图

图6 屋面中间主桁架吊装计算云图

图7 吊装完成云图（未卸载）

4.4 卸载施工过程分析

由于钢结构相较于混凝土结构而言刚度较小，存在较大挠度变形，因此卸载是钢结构施工的一大特点，同时也是一大难点和重点。

钢结构卸载，其实是对支撑架而言的。钢结构的卸载过程实际是钢结构的“负荷”过程，是钢结构由施工受力状态向设计受力状态的转变过程。由于上文所述，结构在卸载过程中会有较大变形，同时，由于卸载过程中又存在诸多不确定因素可能会造成结构发生不可逆的塑性变形，甚至是破坏，因此，选择科学合理的卸载方式和次序是钢结构安全施工最重要的最后一步。

本项目中共分为三步进行钢结构卸载：第一步卸载钢柱支撑系统；第二步卸载桁架内部支撑系统；第三步卸载桁架外部支撑系统。在卸载过程中，屋面钢结构柱脚由施工状态转变为正常受荷工作状态，其杆件的应力状态以及竖向位移关系着结构能否正常使用。卸载过程中，各杆件的最大应力比以及最大竖向位移见下表。

表1 最大应力比和最大位移表

从表中数据可知，在卸载过程中屋面主桁架的杆件应力比变化不大，但屋面的最大竖向位移随着卸载过程逐渐增大，从图中可以看出，完全卸载后最大竖向位移位于屋面跨中区域，这表明在实际施工时，需要对此区域进行预起拱处理，以达到设计要求。

图8 卸载后最大竖向位移云图

5 结束语

本文对宝应体育馆屋面钢结构施工全过程进行有限元模拟，对屋面的分段吊装、卸载进行了详细的分析与研究，可以得出以下主要结论：

通过施工全过程的仿真模拟，充分分析了大跨度结构体系，选用科学合理的施工方案，完美实现了结构的设计理念。

利用结构体系特点，合理设置施工临时支撑，有效降低了钢结构施工而产生的挠度，使得结构能够有效安全的使用。

通过有限元施工模拟，在现场施工时针对最大挠度位置进行预起拱处理，使得结构更加有效合理的受力，最大竖向位移在规范的要求范围内。