移动式门钢风雨棚因其经济性好、操作简便、使用效果好等原因越来越多地运用于各个施工作业场地。但移动式门钢风雨棚柱脚在使用过程中所受的水平约束很小,这与常规门钢柱脚铰接的边界条件差异较大。若设计人员设计时误将移动式门钢风雨棚当作普通门钢进行设计,则在结构自重及屋面荷载作用下,风雨棚柱脚会产生较大水平位移,造成风雨棚卡轨重,无法使用电机对其进行牵引。

本文以某移动式门钢风雨棚为例,根据实际施工方案,考虑风雨棚实际受力状态及加固形式,运用计算机仿真技术研究施工过程中柱脚水平位移、柱脚竖向反力及反顶时屋面梁的应力变化情况,并据此指导现场施工。

某移动式门钢风雨棚长30m,宽18m,高7m,屋面坡度为5%,其中门钢柱距为30m,宽度方向设置4榀钢架。屋面梁采用H(800～600)×250×6×10变截面H型钢,钢柱采用H(650～300)×300×6×12变截面H型钢,钢柱柱脚处采用HW300×300×10×15热轧H型钢作为连系梁。每榀钢架的钢柱之间满布φ89mm×3mm支撑杆件,以保证风雨棚滑移时的面外稳定;钢梁之间采用20的圆钢作为水平拉杆,采用φ89mm×3mm钢管作为水平系杆;檩条采用截面为180mm×70mm×20mm×2.0mm的C形钢;屋面采用单层压型钢板。

发现该风雨棚发生卡轨时,主结构及屋面施工已完成。因此,在尽量减小对主结构、屋面结构及使用功能影响的前提下,如何选择经济合理、施工便捷的加固方案显得极其重要。

1)若在屋面梁下增加撑杆及拉索,使之成为张弦梁,则需将钢柱与钢梁连接处断开,待张弦梁完成张拉,使之成为自平衡体系后才可与钢柱连接。此方案施工复杂,涉及主结构的安拆,对主结构影响较大,且一定程度上减小了使用净空。

2)若在钢柱柱脚增加拉索,施加一定的预应力,可明显改善风雨棚卡轨的情况,且施工便捷,但沿柱脚设置的拉索会严重影响风雨棚的使用。故不适用本工程。

综合以上加固方案的优缺点,最后选择“逐榀反顶屋面梁后在其下翼缘焊接T形钢”的加固方案,具体如图1所示。

相对上述方案,该方案具有对主结构及使用功能影响较小、施工较为便捷等优点。

1)在每榀屋面梁跨中位置的两侧安装“倒T形”反顶支腿。

2)在反顶支腿下翼缘中间焊接反顶钢管,考虑主结构及屋面自重较小,反顶钢管规格可按照受压构件的长细比进行配置。

3)在反顶钢管下端设置千斤顶,使用千斤顶将屋面梁反顶至设计位置后,使用手拉葫芦将加强T形钢牵引至原屋面梁下翼缘下方并焊接。

4)焊接完毕后,同时卸载用于反顶屋面钢梁的2个千斤顶,防止H型钢梁受扭破坏。

5)依次按照上述步骤进行余下屋面梁的施工。

1)不考虑反顶时基础不均匀沉降对结构的变形影响及反顶钢管的压缩影响。

2)风雨棚钢轮与钢轨之间的摩擦作用恒定,记为柱脚反力值的0.07倍

3)不考虑门钢的面外变形。

4)忽略两侧千斤顶不均匀顶升对结构的不利影响。

5)忽略檩条、屋面板等对钢架的刚度提供。

6)分析计算中仅考虑主结构、附属结构及屋面板自重,忽略施工活荷载且不考虑水平荷载的影响。

通过Midas/GEN建立单榀门钢的有限元模型(见图2),其中梁柱采用梁单元,采用重合单元法模拟加固前后2根钢梁的截面,使用生死单元法模拟施工阶段。

1)边界条件约束钢柱柱脚竖向位移,为保证计算收敛,在水平方向设置弹簧约束,弹簧刚度大小为柱脚所受动摩擦值,摩擦系数滋取值0.07;施工反顶时,采用千斤顶单元法模拟,即在反顶点处设置1个受压单元用以模拟千斤顶,千斤顶端部约束水平及竖向位移,采用节点强制竖向位移的方式模拟反顶量(分4次向上反顶200mm,平均每次反顶50mm)。

2)荷载条件屋面恒荷载(含屋面板、屋面檩条等)折成线荷载作用于钢梁上,大小为0.9kN/m;结构自重根据深化模型,自重系数取值1.1。

本次施工过程分析根据施工方案及现场实际情况共分7个施工阶段,主要施工步骤为:譹)风雨棚处于原始卡轨状态;譺)安装反顶措施后,将钢架反顶50mm;譻)反顶钢架至100mm;譼)反顶钢架至150mm;譽)反顶钢架至200mm;譾)安装并焊接加固T形钢;譿)卸载千斤顶。

1)柱脚竖向反力施工过程中,随着反顶的进行,柱脚竖向反力将逐渐减小。为保证施工过程中结构整体稳定,应确保钢柱柱脚所受的竖向反力始终为正,不得出现受拉工况。从图3可知,当反顶至200mm时,柱脚反力减小至4.3kN,随着T形钢的安装及千斤顶卸载,柱脚反力恢复至25.2kN,柱脚反力始终为正,故能保证施工安全。

2)跨中千斤顶反力由图4可看出,反顶施工过程中,千斤顶所受反力越来越大。当反顶至200mm时,跨中千斤顶反力峰值为39.5kN,据此可配备2支5t千斤顶用于跨中反顶。

3)屋面梁应力限制本工程中,屋面钢梁跨度与反顶值均较大,其中跨度为30m,反顶达200mm。为保证施工过程中主结构不被破坏,应确保屋面梁所受应力在钢材的屈服强度以下。由图5可知,反顶时屋面梁组合应力峰值为108.9MPa,卸载完毕时屋面梁组合应力值稳定在84.9MPa。

4)屋面梁跨中竖向位移由于施工过程中,反顶距离很大程度依靠千斤顶的行程,但综合反顶时的地基沉降、支撑钢管轴向压缩等因素,千斤顶行程较实际大梁跨中反顶值小,有必要对根据跨中竖向位移值对顶升高度加以监测,以保证反顶到位(见图6,负值表示下挠)。

5)钢柱柱脚水平向变形为避免钢柱柱脚加固后卡轨,应确保加固后柱脚水平位移能够适应轨道。如图7所示,卡轨状态下,柱脚水平位移可向钢架外侧偏移61.4mm,但随着千斤顶顶升,柱脚逐渐向钢架内侧收拢。当反顶至200mm时,钢架向内侧收拢至38.7mm。千斤顶完全卸载时,钢柱柱脚向外侧偏移的距离为0.7mm,而柱脚滑轮与钢轨之间的间隙约为20mm,可完全适应轨道,解决卡轨问题。

本文以移动式门钢风雨棚卡轨加固为例,根据现场实际情况,选择经济合理的加固方案,采用“逐榀反顶屋面梁后在其下翼缘焊接T形钢”的施工方法进行施工加固。通过有限元分析程序Midas/GEN进行施工全过程仿真分析,研究反顶、卸载时的结构反应,在确保结构安全的情况下,经济、可靠地解决了移动式门钢风雨棚卡轨问题,可为今后类似工程提供借鉴。