无锡万达秀场钢屋盖高空散拼模拟分析与验证
1 工程概况
无锡万达秀场地上3层，地下2层，主钢屋盖结构高度约36m，下部主体结构为钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系 (见图1) ，钢屋盖为带中央过渡环的径向钢桁架及悬挑梁结构，平面直径60m，外围悬挑10m，悬挑结构下方设置吊挂钢管仿竹柱。本工程耐火等级为一级，抗震等级为三级，主要材质为Q345B;主要构件分为中心去压环桁架、辐射区径向桁架之间的连系梁。其中，压环桁架重约100t，单榀辐射桁架重约25t;连系梁重约10t。
2 施工难点分析
1) 环形桁架重达100t，需在30余m高的拼装平台上分段吊装，精度要求高、拼装难度大。
对策:预先使用MIDAS进行全阶段工况模拟，确保安全和质量。
2) 径向桁架跨度大，施工安全措施控制难度较大。
对策:投入大量安全挂网及生命绳等安全设施。
3) 桁架底下挂构件复杂、精度要求高，安全风险较高。
对策:预拼成小单元再由卷扬机提升到位进行安装，实时监控。
4) 桁架吊装需使用300t履带式起重机进行塔况作业，因现场场地受限且构件倒运量大，场地规划控制要求高。
对策:编制详细的施工进度计划，精确到每个构件到场时间。
3 安装方案
3.1 安装方案选取
根据结构形式及现场情况，桁架吊装方案可分为2种:整体提升法、高空散拼装法。整体提升要求在原位搭设拼装平台，本工程桁架底下为看台区域，需搭设大体量拼装平台以满足拼装要求;桁架支座节点复杂，需增加临时支撑以满足提升点要求;桁架底下为看台区域，需搭设大体量拼装平台以满足拼装要求;整体桁架提升半径约30m, 2层混凝土结构板半径约26m，无法满足提升所需要的空间;采用整体提升将影响结构下部施工，造成作业面减少，增加工期
综合考虑，高空散拼方案技术要求简单，现场操作便捷，有利于缩短工期，拟采用该方案进行桁架安装。
3.2 高空散拼方案思路
本工程中，钢结构屋盖为桁架屋盖，其主要构件为多榀桁架及桁架之间的钢连系梁，屋盖中心为双层桁架压环。因中心压环桁架无支撑，且辐射区桁架要依靠中心压环桁架连接承受力。因此，在桁架吊装之前，在压环桁架位置搭设施工平台，首先完成压环桁架施工，然后依次将单榀辐射桁架通过吊车吊至其平面位置，完成一个区块后吊装桁架之间连系梁，使之成为一个整体，达到结构稳固的目的。按以上顺序，分别进行剩下区块的吊装，至全部结构完成，最后拆除中心压环下的施工平台，对结构进行卸载，完成钢结构屋盖施工
压环桁架下支撑由8根均布的格构柱组成，各格构柱之间通过连系梁连接，以保证支撑结构整体稳定性;为保证支撑体系能均匀支承屋盖结构，每根格构柱均对应压环桁架重心位置，从而达到均衡受力、不偏心的目的。压环下支撑布置如图2所示。
鉴于结构整体受力及变形情况，压环桁架支撑考虑预起拱，对后期卸载进行补偿。钢屋盖施工时，先从压环桁架开始，由内到外，使其先形成单元式稳定体，然后依次吊装其余次构件。桁架吊装过程中，其间水平连系梁同步进行安装。径向钢梁吊装时，内部吊挂构件可同时进行安装，最后安装悬挑钢梁。
4 模拟分析
4.1 计算参数
屋盖桁架采用高空散拼安装，计算包括各安装工况中结构自重荷载作用下的应力、变形等。采用MIDAS/GEN有限元程序仿真分析，模型中标准荷载组合为1.0DL，基本荷载组合为1.4DL，其中DL为构件自重;考虑节点较复杂，因此对自重乘以1.5倍的放大系数。应力参照基本荷载组合，变形参照标准荷载组合
4.2 计算模型
首先在原结构模型基础上建立主体钢结构三维模型。屋盖中心为跨度30m钢结构桁架，中心位置不设支撑，为大跨度悬空屋盖结构，屋盖外侧为悬挑单层钢桁架。为了解钢结构屋盖施工过程中的受力状态，计算各桁架区块施工过程中的最大变形，并确定此施工方案的可行性，采用分析软件对施工阶段进行模拟分析。
模型建立的假定和边界条件为: (1) 主体钢结构自重由程序自动考虑; (2) 钢结构节点连接方式 (铰接和刚接) 与原模型设计假定一致; (3) 桁架端部与主体结构连接设定为铰接。
4.3 散拼模拟分析
4.3.1 工况1压环桁架拼装完成
压环桁架拼装完成后的应力和变形分布如图3所示。压环桁架拼装完成后，结构最大z向位移0.83mm，最大应力5.68N/mm2<345N/mm2，满足要求。
4.3.2 工况2辐射桁架1区拼装完成
辐射桁架1区拼装完成后的应力和变形分布如图4所示。辐射桁架1区拼装完成后，结构最大z向位移2.80mm，最大应力29.95N/mm2<345N/mm2，满足要求。
4.3.3 工况3辐射桁架2区拼装完成
辐射桁架2区拼装完成后的应力和变形分布如图5所示。
图5 辐射桁架2区模拟分析结果
Fig.5 Simulation analysis results of radiation truss area 2
辐射桁架2区拼装完成后，结构最大z向位移2.80mm，最大应力30.50N/mm2<345N/mm2，满足要求。
4.3.4 工况4辐射桁架3区拼装完成
辐射桁架3区安装完成后的应力和变形分布如图6所示。辐射桁架3区拼装完成后，结构最大z向位移4.10mm，最大应力30.47N/mm2<345N/mm2，满足要求。
4.3.5 工况5辐射桁架4区拼装完成
辐射桁架4区安装完成后的应力和变形分布如图7所示。辐射桁架4区拼装完成后，结构最大z向位移2.74mm，最大应力30.34N/mm2<345N/mm2，满足要求。
图7 辐射桁架4区模拟分析结果
Fig.7 Simulation analysis results of radiation truss area 4
5 工程实施
施工过程中，编制全面的变形控制监控措施，保证结构安装的准确性。施工过程中最大位移如表1所示。
表1 最大位移
Table 1 The maximum displacement
6 分析与验证
各工况下结构最大位移和最大应力如表2所示。表2可知，钢结构屋盖在整个安装过程中应力和变形变化平稳，构件最大应力为30.50N/mm2，小于钢材屈服强度;构件最大竖向位移为4.10mm，满足规范要求
表2 最大位移及应力
Table 2 The maximum displacement and stress
由表2可知，不同安装阶段会有不同的结构变形。为更好地控制安装精度，在工程实施过程中应严格控制安装顺序，提前进行安装过程的模拟分析，针对不同构件采用不同的预起拱值，从而达到各桁架最终标高符合设计要求。按本文安装顺序，辐射桁架1区和2区施工时，对结构进行2.8mm预起拱;辐射桁架3区施工时，对结构进行4.10mm预起拱;辐射桁架4区施工时，对结构进行2.74mm预起拱，以保证最后结构标高在同一个平面内。
根据模拟分析得出单榀桁架施工变形值，因此可在桁架加工阶段对桁架预起拱标高进行控制。由于本项目桁架是通过直杆连接拼装而成，故在桁架节点位置的胎架同时考虑设计标高和预起拱高度，从而达到预起拱目的。
比较实际施工中的变形和施工验算结果可知，实际施工中的结构变形趋势与模拟分析一致，但最大变形值略有增大。分析计算模型和实际施工措施可知，施工中各节点非理想中的完全铰接、刚接，因此造成实际变形略大于计算变形，但仍在合理范围内，由此可知，该类型钢结构屋盖工程可采用上文叙述方法实施控制。对于数值偏差，作为后续研究的方向，以提供此类工程的控制精度，从而达到更高水准的施工过程控制和安装精度要求。
7 结语
本工程的顺利完成，充分说明高空散拼法安装大跨度中心无支撑悬空钢屋盖的可行性;模拟结果与规范要求的对比验证其科学性。
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