某机场工程入口处的雨篷采用了双层网架结构, 网架平面形式为弧形外凸, 长边跨度约46m, 短边跨度最大处约17m, 网架厚度为0.65m, 如图1所示。图中黑色圆圈表示支座处;网架结构形式为正交正放四角锥双层网架, 网架节点除支座与V形撑柱顶部为焊接球外, 其他节点处均为螺栓球。

结合雨篷网架结构特点以及现场施工条件, 安装采用地面原位拼装后, 通过2台汽车式起重机进行双机抬吊的施工技术。

网架具体安装过程如下:首先安装V形撑柱和与结构相连处的支座及其焊接球→地面原位拼装网架后采用双机抬吊吊装网架→补装V形柱撑和支座处后装杆件→起重机松钩卸载, 完成雨篷网架的安装。在安装V形撑柱时, 为避免V形撑柱柱顶水平位移过大, 影响安装精度, 在V形撑柱2个分支中间设置1道临时拉结杆, 该杆在后装杆件安装完毕起重机卸载前进行拆除。此外, 首先安装与结构相连处支座及焊接球, 而不将支座和焊接球与网架一起提升, 这是因为该支座为水平方向设置的支座, 不是常规竖直方向设置的支座, 高空同时对接12个支座, 精度要求较高, 难以控制。

在双机抬吊过程中, 吊绳设置至关重要, 若设置不当, 会导致计算模形中整个结构产生较大的不合理位移或者计算不收敛。有些设计人员, 在抬吊模拟过程中不考虑吊绳, 只是在吊点处设置垂直方向的位移约束边界条件, 该种模拟情况忽略了吊绳在倾斜情况下产生水平分力, 该水平分力会对被提升结构内力及位移产生一定影响, 特别是对吊点附近的腹杆, 内力影响较大。

为避免上述模拟的弊端, 在模拟双机抬吊过程中, 2台起重机的2个提升点合力作用点, 需保证与被提升结构的重心重合, 这样可以使模拟中结构不会产生较大的刚体位移。寻找提升结构重心可在CAD中完成, 首先将提升结构按杆件规格拉伸成实体, 通过CAD菜单工具栏中查询质量特性, 寻找到结构的重心坐标。起重机提升点的选择需根据被提升结构形式分2种情况, 对于对称结构, 2个提升点只需设置在重心两侧对称位置上即可;对于非对称结构, 需将被提升结构沿重心分成两块, 再分别找到其重心, 提升点即在通过2个分块结构重心的垂直线上, 最终根据吊绳角度确定提升点位置。

找到起重机的提升点后, 根据被提升结构形式以及有限元模拟, 在保证结构挠度及内力合理的条件下, 在结构上选择钢丝绳吊点及吊点数目。本工程每个提升点共设置4个提升吊点, 如图2所示。

理想状态下, 假设2台起重机同步进行提升。提升模型中将2个提升点设置成铰接约束, 该情况下, 被提升结构的水平方向可以移动, 形成刚体位移, 导致计算不收敛, 为平衡水平方向位移, 在吊点处设置刚度无限小的弹性约束;同时为避免模拟中钢丝绳的变形带来较大重心偏心问题以及查看被提升结构变形结果中包含钢丝绳变形不够直观问题, 可以将钢丝绳弹性模量设置成一个较大值, 进而可以忽略钢丝绳变形 (不影响被提升结构的计算结果) 。

模拟中杆件应力比验算时, 需考虑动力系数1.1和设计系数1.35;标准荷载组合为1.0D (D为结构自重) 。因软件一般考虑不到节点质量, 在设置结构自重系数时, 需取实际提升质量与模型中构件质量的比值。本文采用Midas/gen有限元软件进行计算, 其验算结果如图3所示。

由图3可知, 同步提升过程中, 结构水平向最大位移为1.65mm, 竖向最大位移为22.15mm, 综合位移最大为22.16mm, 较小, 能够满足提升时的刚度需求;杆件最大应力比为0.54<1.0, 亦能满足提升时的强度需求。

双机抬吊在提升过程中, 因为是根据人为观察提升情况, 很难控制其同步性。为保证双机抬吊过程中结构的安全性, 需验算不同步提升对结构杆件强度的影响。双机抬吊的不同步分为下面2种情况: (1) 2台起重机提升高度的不同步; (2) 同一台起重机吊绳长度的不同步。

2台起重机在相同时间内提升的高度不同, 即会导致提升高度的不同步。在提升高度的不同步模拟时, 可采用支座强制位移荷载工况, 将1个提升点沿重力方向强制位移±200mm (若为轴对称结构, 可只强制位移200mm或-200mm) 。模拟中杆件应力比验算时, 荷载组合取:1.1×1.35D+1.0L (D为结构自重, L为强制位移荷载) 。本结构为对称结构。

由验算结果可知, 在200mm提升高度不同步情况下, 结构杆件最大应力比为0.54<1.0, 结构杆件强度满足要求。

其结果与同步提升对比可知, 提升高度的不同步对杆件强度影响很小, 查看强制位移荷载工况下提升点反力值, 仅为4.1k N, 很小。对于只有2个提升点的结构而言, 结构对提升点的不同步不是很敏感;当结构有多个提升点时, 结构对提升点的不同步就会很敏感, 如目前钢结构施工常采用的多个提升吊点整体提升施工技术。

现场用于吊装的钢丝绳大多都不是新的, 而是用过多次的老旧钢丝绳, 其原始状态有很多弯折的地方, 现场很难测量其在拉直状态下的准确长度, 同时钢丝绳绑扎节点形心的测量也会存在一定误差, 所以结构在实际提升时, 连接提升点的4根吊绳长度很难与计算模形中的长度相同, 模拟中需考虑吊绳长度的不同步对结构杆件强度的影响。

本工程1个提升点连接4根吊绳, 结构在提升时为保持提升结构的稳定, 至少需有3根吊绳承力, 故模拟中将4根吊绳中的1根吊绳长度进行延长。本工程考虑不同步的延伸长度为100mm, 模拟中通过对吊绳单元进行升温来模拟长度的延伸。杆件应力比验算时, 荷载组合取:1.1×1.35D+1.0Q (D为结构自重, Q为强制位移荷载) 。

由验算结果可知, 杆件最大应力比为0.77<1.0, 结构杆件强度满足要求。与同步提升结果对比可知, 吊绳长度的不同步对杆件强度影响较大。

结构在设计时均是一次成形, 然后在成形的结构上施加各种荷载进行计算分析, 而结构实际成形过程是一步一步逐渐成形的, 每个施工步结构均是一个平衡态, 结构构件有该阶段的内力和变形, 当进行下个施工步时, 旧的平衡被打破, 结构进入一个新的平衡;因此施工完成后, 构件的内力和变形是各个施工阶段不断累积而成的总和。分析可知, 结构实际成形过程与原设计方法有很大区别, 因而对结构进行施工过程有限元分析很有必要。

对结构施工过程进行有限元分析, 主要确定以下几点内容。

1) 对施工过程结果的分析, 确定采用的施工顺序合不合理, 为施工方案的编制提供指导。

2) 分析施工过程中结构杆件强度是否满足要求, 确保施工过程中结构的安全性。

3) 分析施工过程结构变形情况, 包括结构施工过程中的变形和安装完成后的变形, 保证相邻安装单元顺利对接以及结构的安装精度。

4) 分析结构施工完成后各杆件内力与原设计一次成形结构杆件内力的差值, 即附加应力的大小, 保证结构在后续使用过程中的安全。

5) 为结构在施工过程中的监测提供理论数据。

本工程网架施工过程模拟共分为4个施工步: (1) 第1施工步安装V形撑柱和与结构相连处的支座及焊接球; (2) 第2施工步地面原位拼装网架后采用双机抬吊吊装网架; (3) 第3施工步补装V形撑柱和支座处后装杆件; (4) 第4施工步起重机松钩卸载, 完成雨篷网架安装。

图4为施工完成后结构杆件应力比云图 (限于篇幅, 不再对每个施工步都进行分析) , 由图4可知, 施工完成后结构杆件最大应力比为0.29<1.0, 杆件强度满足要求。

在第2施工步结构双机抬吊到设计标高后, 进行第3施工步补装后装杆件时, 需考虑后装杆件处相对位移对施工安装的影响;因网架为螺栓球节点, 其相对变形不可过大, 以防杆件和螺栓球螺栓孔对不上, 产生安装困难问题。JGJ78—91《网架结构工程质量检验评定标准》中规定螺栓球的孔位偏差在±30'以内, 本结构网架杆件长度约1 400mm, 故杆件两端位移差在12.2mm内对安装影响不大。

结构网架在第2施工步的变形, 同图3中结构在同步双机抬吊过程中的变形;由图3可知, 在后装杆件位置处, 结构最大水平位移不超过2mm, 最大垂直向位移不超过6mm, 故而能够满足安装时的精度要求。

图5a、图5b分别为重力作用下网架结构在原设计一次成形下和施工完成后的位移云图;对比云图可知, 施工完成后网架结构最大挠度为24.53mm, 原设计一次成形下网架结构最大挠度为17.92mm;对比图5a, 5b, 位移云图很相似, 最大位移相差 (24.53-17.92) /17.92=36.9%>15%, 不满足规范JGJ7—2010《空间网格结构技术规程》要求。因最大位移相差较小仅6.6mm, 在施工双机抬吊过程中, 可以将整个结构网架向上多抬升6mm左右, 使施工完成后的位移可以满足规范要求, 同时多抬升的几个毫米也可以抵消后装杆件处结构下挠的不利影响。若位移相差较大, 一般通过调整吊点位置或者拼装时对网架预起拱进行调整。

因结构原设计一次成形与实际施工逐步成形相差较大, 结构实际成形后杆件内力与原设计一次成形杆件内力会有差距, 其差值即为附加应力;施工过程会导致结构部分杆件应力比减小, 也会导致部分杆件应力比增加, 为保证结构在后续使用过程中的安全, 需控制结构杆件附加应力比不可过大。对杆件设计状态下最大应力比与其附加应力比之和超过0.9的杆件进行替换。

由图6结构杆件应力比分析可知, 网架结构附加应力比最大为0.23, 杆件原设计控制应力比为0.80, 杆件设计应力比与附加应力比之和最大为0.87<0.9, 结构无需替换杆件。

本文通过某网架结构双机抬吊施工技术, 详细介绍了双机抬吊有限元模拟中吊绳的设置原则和具体实现方式;系统分析了双机抬吊施工模拟中需考虑的同步提升和不同步提升验算的具体内容, 以及其在模型中的设置方式, 其中不同步提升验算中需考虑起重机提升高度的不同步和吊绳长度的不同步2种情况, 同时也得出双机抬吊过程中, 吊绳长度的不同步对结构杆件强度的影响较大。

此外, 本文也较全面地说明了施工过程有限元分析的重要性和意义, 以及其包含的主要内容;通过对雨篷网架结构的有限元模拟, 也对其模拟可能出现的结果做了详尽说明, 可为今后类似双机抬吊施工技术提供借鉴和参考。