680t网架整体顶升施工仿真分析
徐皓 张倩 高璞 郭红强 杨帆. 680t网架整体顶升施工仿真分析[J]. 施工技术,2020,50(02):30-33,39.
XU Hao ZHANG Qian GAO Pu GUO Hongqiang YANG Fan. Simulation and Analysis of Integrally Jacking-up Construction of 680t Grid Structure[J]. build,2020,50(02):30-33,39.
1 工程概况
天津某网架采用焊接球-螺栓球斜放四角锥网架,平面投影尺寸为84m×60m,网架高度为2.4~2.724m,坐落于15根支撑钢柱上;网架南侧存在局部2层的设备机房,采用门式刚架结构,其支托坐落于网架上弦球节点上。网架平面如图1所示,整体效果如图2所示。
网架采用地面散拼、整体顶升的施工方式,在地面散拼完成后,安装门式刚架,再进行整体顶升,整体顶升质量约680t,顶升高度9.25m。网架结构支撑钢柱提前施工完毕,因此抽空钢柱相应位置的网架杆件和球节点,留待网架顶升至设计标高后进行嵌补。
2 网架顶升点优化
2.1 优化原则
1)保证网架整体顶升的施工安全。
2)尽量保持结构原有设计不变,避免或减少设计变更,无法满足时,应使需要加强或加固的杆件数量尽量少。
3)网架顶升时的结构应力和变形尽量小,分布相对均匀,且不应超过设计和规范要求。
4)各顶升点顶升反力相对均匀。
2.2 顶升方式选择及优化
网架整体顶升常采用自锁式液压千斤顶作为顶升动力,采用能够不断增加接长的支架(包括标准节和非标准节)作为顶升柱。
1)支顶部位选择本工程网架高度为2.4~2.724m,网架北半部按3%找坡。考虑到用于大吨位顶升的自锁式液压千斤顶初始长度和油缸行程通常都较大,若选择支顶网架下弦球节点(见图3),则网架在散拼时必须在其下方预留液压千斤顶及配套顶升设备的安装空间,最大散拼高度将>5m,低空作业安装施工不便。因此,为尽可能减小网架结构的地面散拼高度,选择支顶网架上弦球节点(见图4),将液压千斤顶及配套顶升设备的安装空间包含在网架高度范围内,同时按最低点为零层板(垫层顶标高-0.250m)进行拼装。
2)顶升托梁设置本工程为斜放四角锥网架,网架上弦球节点的正下方存在下弦杆件,液压千斤顶无法直接支顶上弦球节点。考虑网架实际情况和施工便利性,每个顶升柱上端设置1个十字托梁,十字托梁的每个悬挑端分别支顶1个上弦球节点(见图5),即可避开网架下弦杆件,同时可在一定程度上分散顶升反力。
2.3 顶升点位置优化
网架顶升点的数量和位置直接影响到网架结构在顶升施工过程中的安全性,因此,有必要针对网架顶升点数量和位置进行优化分析。
本工程网架由于南侧存在局部2层的设备机房门式刚架,荷载较大,大直径的焊接球节点集中分布在网架支座附近和南侧门式刚架范围内。同时,门式刚架在网架顶升前完成安装,随着网架结构一同顶升,整体顶升质量约680t,其中,约2/3质量集中在网架南侧1/3部分。因此,本工程网架顶升点布置也偏向南侧。
经优化分析及反复试算,顶升点布置如图6所示。
3 网架整体顶升分析
3.1 荷载及工况
网架顶升分析的荷载条件考虑网架自重和檩条质量,同时考虑顶升过程中的动力系数及不同步顶升产生的不均匀受力,分别模拟网架2种工况:(1)工况1模拟网架在顶升过程及高空悬停时的受力状态,即顶升工况;(2)工况2模拟网架高空嵌补杆件完成后、落座结构柱前的受力状态,即嵌补工况。
3.2 顶升工况分析
不考虑压杆稳定时,杆件应力水平较低,最大压应力仅为80.8MPa;考虑压杆稳定后,杆件最大应力为327MPa,应力云图如图7所示;应力比>0.8的杆件有6根,超限杆件集中分布在顶升点附近的受压腹杆;网架节点最大挠度21.5mm;最大顶升反力为653.8kN。
3.3 嵌补工况分析
网架嵌补工况的分析结果与顶升工况类似,但由于嵌补杆件和球节点的加入,网架刚度和应力发生重分布,应力比>0.8的杆件有8根,应力云图如图8所示。因为嵌补工况的8根应力比超限杆件包含顶升工况的6根,故杆件加强措施应以嵌补工况为准,加固或加强8根杆件。
3.4 杆件加强后的网架验算
经过与原设计单位沟通,同时考虑到超限杆件数量不多及施工方便,针对超限杆件采取加强措施,将上述8根超应力杆件加大1个规格,再次进行网架顶升工况和嵌补工况的验算及原设计工况的网架结构复核。
网架杆件经过加强后,顶升工况时考虑压杆稳定的杆件最大应力由327MPa降至206MPa,应力云图如图9所示;嵌补工况时杆件最大应力由355MPa降至229MPa,应力云图如图10所示。其他结果与杆件加强前类似。网架结构经复核满足原设计要求,应力云图如图11所示。因此,网架经过加强后,能够满足顶升施工要求。
4 网架支座安装及分步卸载分析
4.1 网架支座安装分析
网架顶升至设计标高后,分批安装15个网架支座,支座安装顺序为:阶段(1)安装第1行5个支座;阶段(2)安装第3行5个支座;阶段(3)安装第2行3个中间支座;阶段(4)安装第2行2个边支座。网架支座分批安装各阶段的顶升反力分析结果如图12所示。
4.2 分步卸载分析
网架支座安装完成后,进行20个顶升点同步卸载,千斤顶同步、稳定、缓慢下降,卸载过程中按荷载和位移双控制同步,直至完全卸载。
分步卸载分析时,分别按千斤顶卸载位移量1,2,3,4,5,7,10,15,18mm进行分析。卸载过程中,各顶升反力越来越小,顶升托梁陆续与网架脱离而退出工作。而网架自重荷载从顶升点逐渐向支座转移,各支座反力逐渐增大,直至完全承担网架自重。顶升反力和永久支座反力分析结果如表1,2所示。
5 结语
1)按照网架整体顶升分析结果,超应力杆件应进行加固或加强,加固或加强措施应征得原设计单位认可后方可实施,加强后的网架应再次进行复核验算,以确保结构安全。
2)十字形顶升托梁需详细设计,使约束条件和计算模型相匹配,其构造措施应满足施工要求。
3)网架在整体顶升过程中,20个顶升千斤顶需按荷载和位移进行双重同步控制,否则可能出现局部顶升反力过大,网架受力不均匀,从而引发整体垮塌;同时在网架顶升过程中,由于顶升柱需不断增加标准节,千斤顶需不停顶升再回落,通常千斤顶回落同步控制更难,在施工过程中更需要注意。
4)由于千斤顶底部固定端承担弯矩的能力较弱,不能视为完全刚接,因此网架顶升过程中,需设置可靠的侧向约束或限位措施,以抵抗风荷载及其他可能出现的水平荷载,防止千斤顶出现侧向倾覆而引发网架整体倒塌,这点也需要引起注意。
5)螺栓球节点施工时容易出现假拧紧现象,网架施工时应采取可靠措施防止假拧紧,同时进行必要检测,保证网架杆件可靠连接。
6)在网架卸载就位时进行严格监测。同步、稳定、缓慢下降,卸载过程中按荷载和位移双控制同步。
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