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中山博覽中心A區屋蓋主桁架卸載撓度變形監測與分析

作者：安建民等    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
中山博覽中心屋蓋采用大跨度鋼桁架結構，主桁架跨度最大為90m，為保證安裝質(zhì)量和施工安全，施工前運用有限元軟件模擬卸載工況，在施工過(guò)程種對主桁架卸載撓度變形進(jìn)行了監測，并對結構監測值與模擬值進(jìn)行了比較分析。

    關(guān)鍵詞：大跨度空間鋼結構 桁架撓度 變形監測 有限元模擬分析

    1.工程概況
    中山博覽中心項目位于廣東省中山市博愛(ài)六路（市黨校東），由美國SOM設計事務(wù)所及廣東省建筑設計研究院聯(lián)合設計，總占地面積約250000 m2，其中建筑面積約120000m2。地上主體結構采用大跨度空間鋼管桁架結構，總用鋼量約18000t。
    整個(gè)屋蓋鋼結構通過(guò)位于12軸線(xiàn)的溫度伸縮縫，劃分為A區、C區，見(jiàn)下圖1所示。其中A區自B軸至N軸通過(guò)格構柱或核心筒柱，劃分為90m、54m、54m三跨，見(jiàn)下圖2所示，總長(cháng)216米；東西方向從12軸至26軸長(cháng)252米。屋蓋鋼結構為雙向交錯鋼管桁架結構，其中主桁架沿12軸～26軸共15列，每列主桁架在B、G、K、N軸遇托架處斷開(kāi)，并與托架相貫焊接。主桁架間距18m，高低交替呈波浪形，相鄰主桁架下弦中心線(xiàn)標高分別為+18.150m、+13.650m，單榀主桁架高度約為4.5m～10m，主桁架下弦主要采用φ660×14的鋼管，上弦主要采用φ610×14的鋼管，上、下弦垂直桿及腹桿尺寸為φ508×20、φ356×10等，從12軸～26軸共有4列托架，分別架立在B軸、G軸、K軸和N軸柱頂上，柱間距36米；沿B軸～N軸次桁架共19列，間距9m，每列次桁架遇主桁架處斷開(kāi)，并與主桁架相貫或插板焊接連接。屋蓋鋼結構通過(guò)單向或雙向滑動(dòng)盆式橡膠支座固定在鋼管格構柱頂或鋼筋混凝土柱頂上。 15～26/B～G軸線(xiàn)區域為常年展廳，見(jiàn)下圖1所示，該區混凝土結構設有地下室及地上二層、三層樓層結構。

    2.屋蓋安裝方案
    本工程屋蓋桁架安裝跨度大、施工工期緊張，常年展廳上方屋蓋由于受其正下方地下室結構影響，吊裝機械無(wú)法直接進(jìn)入跨內安裝。綜合考慮現場(chǎng)結構場(chǎng)地及桁架結構分布情況，經(jīng)過(guò)多種方案可實(shí)施性、經(jīng)濟性及工期等方面的比選，現場(chǎng)采用了“分段吊裝、高空散裝與累積滑移”相結合的安裝方法。
    A區鋼屋蓋可分為累積滑移區、分段吊裝區和高空散裝區，見(jiàn)下圖3所示：

    ⑴分段吊裝
    A區12～26/H～N軸線(xiàn)區域及12～14/B～G軸線(xiàn)區域,由于不存在地下室結構影響，直接采用150t履帶吊將主桁架分兩或三段吊裝，其中K～N跨分為兩段吊裝，在高空支架上進(jìn)行對接。
    ⑵累積滑移
    A區14～26/B～G軸線(xiàn)區域,由于場(chǎng)地內存在地下室結構，起重機械無(wú)法直接進(jìn)入跨內進(jìn)行吊裝，現場(chǎng)采用“地面分段拼裝、高空平臺組裝、累積滑移”的方法進(jìn)行安裝。分別在B軸線(xiàn)和G軸線(xiàn)上分別架設兩條高空滑移軌道，在26軸線(xiàn)外搭設36m拼接平臺，主桁架分為三大段在拼接平臺上對接，桁架拼裝采用150t履帶吊進(jìn)行作業(yè)。每拼裝完一個(gè)滑移單元，屋蓋整體滑移18m，將拼裝平臺騰空，進(jìn)行下一單元拼接，以此類(lèi)推，直至完成。拼裝過(guò)程在分段點(diǎn)設置臨時(shí)格構支撐，待18m跨滑移單元區域構件拼裝焊接完畢，進(jìn)行臨時(shí)支撐拆除卸載。
    ⑶高空散裝
    待滑移區域屋蓋結構滑移就位后，進(jìn)行區域間的補檔，采用汽車(chē)吊進(jìn)行單件散裝。
    3.計算機模擬分析
    ⑴第15～16軸主桁架計算機模擬分析
    選取累積滑移區90m跨第15～16軸主桁架進(jìn)行有限元模擬分析，采用Midas/gen6.1.1軟件，建立桿件單元模型，如下圖9所示：

    由于桁架跨度距離為90m，而且桁架截面高度作折線(xiàn)形變化，為較好的掌握桁架整體模擬沿跨度方向的下?lián)锨闆r，故在模擬計算時(shí)在桁架中部及北側懸挑區域設置TJ1～TJ5五個(gè)卸載節點(diǎn)，如下圖所示：

    考慮到Midas模型沒(méi)有建入檁條，可以通過(guò)調整自重系數模擬加設此部分荷載。同時(shí)，考慮實(shí)際結構節點(diǎn)加強，且部分桿件帶有加勁肋，因此有限元模型自重要小于實(shí)際結構重量，這種差距同樣通過(guò)調整自重系數來(lái)減小。
    ①取自重系數為1.0進(jìn)行計算，結果總反力為347t；按照深化設計圖紙所給材料表，統計現場(chǎng)加工拼裝實(shí)際結構自重為423t,對比原計算結果，將自重系數增至1.22。
    ②按自重系數1.22計算，結果總反力為423.2t，反映實(shí)際結構自重荷載，提取相應監測點(diǎn)位移撓度為：

    ③在第②種工況計算模型基礎上對支點(diǎn)施加水平荷載，以模擬實(shí)際結構支座情況（見(jiàn)圖6），荷載值按支點(diǎn)豎向反力乘以摩擦系數確定，此處摩擦系數取0.15。

    計算結果如下：

    以上計算機模擬得到的各點(diǎn)撓度值時(shí)，結構桿件應力比無(wú)異常超標情況出現。
    ⑵第24～25軸主桁架計算機模擬分析
    第24～25軸主桁架結構與第15～16軸主桁架類(lèi)似，跨度為54m，模擬演算跨中設置卸載位置點(diǎn)如下圖7所示。

    經(jīng)計算機模擬分析，安裝卸載完成后，第24～25軸主桁架跨中最大撓度見(jiàn)下表3，且結構桿件應力比無(wú)異常超標情況出現。

    4.變形監測
    由于本工程屋蓋桁架跨度大，最大跨度90m，單榀主桁架自重最大約120t，桁架桿件規格眾多，體系復雜，現場(chǎng)焊接作業(yè)量大，為保證主桁架在施工安裝過(guò)程中的安全性能及施工質(zhì)量，需對各跨桁架高空組拼完成卸載后的撓度進(jìn)行監測（見(jiàn)圖8），以掌控桁架高空跨度成型后的受力性能和滑移軌道梁的安全性能，指導后續實(shí)際施工并為以后類(lèi)似工程提供參考。

    5.結構變形分析
    由于滑移拼裝單元剛度很大，結構比較穩定，滑移前分級卸載后結構的受力狀態(tài)與滑移過(guò)程中結構受力基本相同（同步累積滑移過(guò)程基本可以理解為結構在做勻速直線(xiàn)運動(dòng)），因此滑移區域僅對滑移前的滑移單元進(jìn)行分析。故分別在累積滑移區域、分段吊裝區域各選取自重最大的主桁架，對其卸載后的變形情況進(jìn)行監測與分析。
    ⑴累積滑移區域 第15、16軸主桁架

    第15、16軸線(xiàn)主桁架實(shí)測撓度如下表：

    從上面表中可以看出，第15、16軸主桁架卸載后下?lián)献畲髶隙染l(fā)生在TJ2點(diǎn)，從圖6中可以得出TJ2點(diǎn)，正好處于主桁架截面比較低的位置，此部位桁架的剛度較弱，因此發(fā)生最大撓度與實(shí)際截面變化特性具有一致性；表中TJ4、TJ3處15軸主桁架下?lián)现祪H相差2mm，16軸線(xiàn)主桁架相差3mm，而這兩處桁架截面高度相等，且距跨端距離相等，故此兩處部位的撓度值接近也符合安裝前的模擬演算數值；TJ5處均發(fā)生上撓，與該處為懸挑端的實(shí)際情況相符。按TJ4的最大撓度70mm計算，B-G跨主桁架在自重作用下的下?lián)现礷占跨度l的1/1300，小于鋼結構設計規范l/400的要求，說(shuō)明結構施工過(guò)程是安全、可靠的。
    通過(guò)比較表2、表4數據表明,各監測點(diǎn)實(shí)測數值小于桁架模擬分析的理論數值，結構桿件的受力是安全的。此外，有限元計算模型在自重荷載作用下各測點(diǎn)撓度變化幅度要小于實(shí)際觀(guān)測時(shí)各監測點(diǎn)撓度的變化幅度，且除個(gè)別點(diǎn)偏離實(shí)測結果外，大部分與實(shí)測結果接近；其中TJ1、TJ5點(diǎn)與實(shí)測值差別較大，聯(lián)系到計算模型撓度分布較實(shí)際結構均勻，可考慮計算模型由于采用桿系模型，剛度分布要比實(shí)際結構均勻的結果。實(shí)際結構節點(diǎn)均有加強，桿件截面變粗、管徑變大，因而節點(diǎn)處易產(chǎn)生剛域，影響了結構局部受力，而且表中數據可以看出這種剛域效果在支座處尤為突出，導致端部或懸挑處的撓度與計算模型差生較大差異。

    ⑵分段吊裝區域 第24、25軸主桁架
    第24、25軸主桁架位于 K～N跨，跨度54m，跨中撓度實(shí)測值如下：

    通過(guò)表3、表5跨中最大撓度比較，第24、25軸主桁架跨中撓度實(shí)測值均小于模擬計算值。K～N跨主桁架在自重作用下的下?lián)现捣謩e僅為跨度的1/1800和1/1534，同樣小于鋼結構設計規范l/400的要求，結構施工過(guò)程是安全、可靠的。
    6.結語(yǔ)
    通過(guò)對中山博覽中心A區鋼結構屋蓋不同區域安裝桁架結構的卸載撓度變形值監測分析，可以看出有限元軟件模擬實(shí)際結構分析具有一定的仿真性。在有限元模型能夠較充分反映實(shí)際結構受力狀態(tài)（含約束等）的情況下，其模擬計算結果可以用于指導類(lèi)似結構施工。本工程大跨度空間鋼結構的順利安裝，為今后類(lèi)似結構安裝積累了一定的施工經(jīng)驗，同時(shí)施工前的有限元軟件模擬分析，對于保證結構的順利安裝有著(zhù)十分積極的意義。

    參考文獻
    [1] 中國鋼結構協(xié)會(huì )．《建筑鋼結構施工手冊》．中國計劃出版社．2004.11
    [2] 中華人民共和國國家標準．《建筑結構荷載規范》．GB 50009--2001．2006
    [3] 中華人民共和國國家標準．《鋼結構設計規范規范》．GB 50017--2003．2003
    [4] 中國建筑工程總公司-技術(shù)中心．《中山博覽中心鋼屋蓋安裝計算分析》．2007．10
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