大型钢结构工程的安装过程与其设计使用阶段的荷载效应有很大差别, 除了考虑结构成形过程中的杆件及节点的应力变化, 还需要考虑安装步骤对荷载效应的影响^[1]。通常钢结构安装会选择风力较小的时段进行, 而且杆件的受风面积较小, 因此在分析时可以不考虑风荷载的影响, 但对于特殊地区的特殊结构, 风荷载不能被忽略^[2]。

　　 本文以一实际双层拱形网壳工程为研究对象, 分析其在安装成形过程中杆件应力变化及极限位移, 通过分析在多风地区进行此类结构累积提升, 为类似工程提供参考^[3]。

　　 该工程采用双层拱形网壳结构^[4], 总用钢量约为9 500t。结构长为266m、宽为140.276m、高为116m。标高64.237m以上为拱形网壳, 以下为平板网架, 结构形式均为正放四角锥焊接球节点网架, 网格尺寸为6m×6m, 如图1所示。

　　 门框结构82m标高以下为双层网架, 网架厚度为6.07m;82m标高处设置门顶桁架梁, 网架厚度为5m, 相比于上部网架外挑18.2m。门顶桁架梁至拱顶区域为门头网架, 门头网架厚度为5m。山墙为焊接球网架结构, 范围从地面直至结构顶部, 山墙网架厚度为5.5m, 网格尺寸为5m×5m。

　　 本工程采用累积提升方法^[5], 各杆件的内力在施工过程中会发生较大的变化, 甚至会导致个别杆件拉压杆转化, 出现杆件失稳、应力比过大或者部分结构变形过大不满足设计要求, 危及施工安全。因此, 要按照实际施工顺序对结构进行受力分析。

　　 该网壳分为两个施工区域, 分界线为 (25) 轴。①～ (25) 轴为施工A区, 平面尺寸为140m×132.5m; (25) ～ (48) 轴为施工B区, 平面尺寸为140m×130.5m。网架沿立面从上到下分为7个单元, 如图2所示, 其中单元1～6为累积提升单元, 单元7为分块吊装单元。

　　 屋面板按施工步骤顺序安装。第1单元在拼装平台上拼装完成并且安装完屋面板, 利用液压千斤顶将单元1提升一定的高度, 然后进行提升单元2的拼装, 提升单元2和屋面板拼装完成后, 网架整体落位在支撑马凳上, 把提升支架拆除安装至单元2提升吊点处, 将单元1, 2整体提升指定高度, 再进行提升单元3的施工与屋面板的安装。按照以上施工方法, 依次完成提升单元1～6的提升, 安装单元7最后采用分块吊装的方法直接安装到位, 结构整体的屋面板也安装完成。具体施工步骤及网架成形过程如图3所示。

　　 采用有限元分析软件MIDAS/Gen8.26的累加模型算法^[6], 将网壳结构模型分为结构组、荷载组和边界组, 建模所用的尺寸和材料与实际工程一样, 采用Q345B级钢。将现有CAD线模通过DXF文件导入MIDAS/Gen8.26, 采用梁单元来模拟杆件, 然后将截面和材料赋予相应杆件单元。每个提升单元底部节点采用铰接的边界条件, 提升阶段底部节点采用弹性支承, 底部节点弹性支撑刚度分别取SDX=SDY=1kN/m, SDZ=1 000kN/m。

　　 在结构安装阶段, 结构所受的荷载有构件的自重、风荷载和施工荷载。当地地面粗糙度为A类, 基本风压参考近10年平均风速的气象资料, 取10级烈风荷载0.45kN/m²进行结构仿真验算。风荷载体型系数考虑屋面板的附着, 按规范取值为:屋盖迎风面为+0.8和+0.6, 屋盖顶部为-0.8, 屋盖背风面为-0.5^[7]。施工荷载为拉索张拉荷载, 取经过优化的拉索张拉力。对两种荷载工况进行分析, 即工况1∶1.35×D+P_S;工况2∶1.0×D+1.4×W_y+P_S。其中D包括自重、节点荷载和屋面荷载;W_y为风荷载;P_S为施工拉索张拉荷载。通过对比两种工况下的分析结果, 可以得出风荷载对该工程结构安装过程的影响。

　　 按照施工步骤对整个网壳结构进行施工仿真分析。先一次性建立完整模型, 施加成形状态的设计荷载, 然后将所有单元“钝化”, 再按照施工步逐步“激活”相应单元, 表示该单元安装就位。提取结构在单元“激活”后的计算结果, 将结构在最终完成提升状态下的最大位移和内力变化绘制成曲线, 如图4～7所示。图中横坐标CS1-0表示单元1提升阶段;CS1-1表示单元1临时固定于提升架阶段;CS1-2表示拼装单元1卸载于马凳阶段, 其他符号含义类同。

　　 可以看出:如果不考虑风荷载, 施工A, B区结构在X向最大位移分别为-27, -24mm, 相对于结构长度266m来说是很小的;Y向最大位移分别为65.3, 65mm, 相对于140m的结构跨度, 65.3/140 000=1/2 153<1/400, 满足规范要求;Z向最大变形都发生在合拢缝处, 主要由屋顶梁下挠引起, 其最大值分别为-124, -126mm, 挠跨比126/140 000=1/1 111<1/400, 满足规范规定的变形要求。位于屋顶山墙处的杆件应力最大, 达到146MPa, 远小于规范310MPa的要求, 其余大多数杆件的应力都在100MPa左右, 杆件处在安全范围内。

　　 将考虑风荷载的结果进行对比分析:施工过程中的最大应力变化不大, 不影响结构的安全性, 但结构位移幅度明显增大, 施工A区X向位移最大增至57.1mm, 还在安全可靠的范围内;但施工B区Y向最大位移增至478mm, 478/140 000=1/293>1/400, 超出了规范要求, 对施工安全产生危险;Z向最大位移和结构最大应力增幅比较小, 影响不大。Y向超限位移会导致结构漂移, 不满足施工要求。但考虑是局部超限, 则不需要调整结构整体设计, 只需在施工时采取相应的抗风措施, 就能保障施工安全。

　　 常用抗风措施可以采用单方向限位装置, 配合使用缆风绳, 从而使结构在施工过程中能够抵御风荷载引起的变形。

　　 在位移较大的Y向设置限位装置, 控制结构和提升架的位移和变形。在每个提升架两主肢立柱的侧面设置通长槽钢, 形成滑道。槽钢通过两块10mm厚钢板与钢柱焊接。采用两根ϕ351×20mm钢管, 一端与节点焊接球焊接, 一端卡在槽钢中, 钢管端头设置四氟板以便于滑动, 如图8所示。网架结构提升到位后, 在下一块网架补装前, 用马板将限位杆与提升支架焊接连接, 连成一个整体, 保证网架结构的稳定性。

　　 单元1, 2, 3提升安装时, 结构高度低, 所受风荷载相对较小, 支撑架能够抵抗水平力的作用, 故不拉设揽风绳。单元4, 5, 6提升高度较高, 提升到位后需拉设揽风绳。缆风绳设置构造如图9所示。揽风绳采用YS-SJ-45型液压提升器进行张拉, 在最下面球节点上设置张拉器与基础混凝土预埋件连接, 在埋件上方设置混凝土压块作为配重。每个单元提升到位后, 马上补装下一单元网架, 在最下面球节点上焊接钢管, 并与钢平台焊接。共设置16道45°缆风绳, 采用高强度低松弛预应力钢绞线, 抗拉强度为1 860MPa, 设计单根直径为17.80mm, 初始张拉力为50kN, 破断拉力设计值不小于360kN。

　　 根据相关设计说明, 基本风压取0.45kN/m², 地面粗糙度为A类, 荷载组合取1.2×恒载+1.4×风荷载。由表1可知, 结构在两侧设置缆风绳后, Y向最大位移为47.1mm, 较未设置缆风绳时小得多, Z向位移和应力也得到了较好的控制。缆风绳的最大拉力为292kN, 小于设计破断力, 满足设计要求。

　　 通过对一个双层拱形网壳结构的安装过程进行分析, 得出了结构的变形随安装步骤的变化趋势, 给出了结构在每一工况下的最大位移及应力, 为安装过程的安全性提供了保障。分析发现风荷载对结构的内力和变形产生了较大增幅, 甚至产生漂移, 影响结构安装的安全性。经过分析, 为该结构设计了限位装置和缆风绳等抗风措施, 可以减小风荷载对结构的作用, 保障结构的抗风安全。