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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，在施工過程種對主桁架卸載撓度變形進行了監測，并對結構監測值與模擬值進行了比較分析。

    關鍵詞：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六路（市黨校東），由美國SOM設計事務所及廣東省建筑設計研究院聯合設計，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。
    整個屋蓋鋼結構通過位于12軸線的溫度伸縮縫，劃分為A區、C區，見下圖1所示。其中A區自B軸至N軸通過格構柱或核心筒柱，劃分為90m、54m、54m三跨，見下圖2所示，總長216米；東西方向從12軸至26軸長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，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，并與主桁架相貫或插板焊接連接。屋蓋鋼結構通過單向或雙向滑動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軸線區域為常年展廳，見下圖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，吊裝機械無法直接進入跨內安裝。綜合考慮現場結構場地及桁架結構分布情況，經過多種方案可實施性、經濟性及工期等方面的比選，現場采用了“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，見下圖3所示：

    ⑴分段吊裝
    A區12～26/H～N軸線區域及12～14/B～G軸線區域,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，在高空支架上進行對接。
    ⑵累積滑移
    A區14～26/B～G軸線區域,由于場地內存在地下室結構，起重機械無法直接進入跨內進行吊裝，現場采用“地面分段拼裝、高空平臺組裝、累積滑移”的方法進行安裝。分別在B軸線和G軸線上分別架設兩條高空滑移軌道，在26軸線外搭設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履帶吊進行作業。每拼裝完一個滑移單元，屋蓋整體滑移18m，將拼裝平臺騰空，進行下一單元拼接，以此類推，直至完成。拼裝過程在分段點設置臨時格構支撐，待18m跨滑移單元區域構件拼裝焊接完畢，進行臨時支撐拆除卸載。
    ⑶高空散裝
    待滑移區域屋蓋結構滑移就位后，進行區域間的補檔，采用汽車吊進行單件散裝。
    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形變化，為較好的掌握桁架整體模擬沿跨度方向的下撓情況，故在模擬計算時在桁架中部及北側懸挑區域設置TJ1～TJ5五個卸載節點，如下圖所示：

    考慮到Midas模型沒有建入檁條，可以通過調整自重系數模擬加設此部分荷載。同時，考慮實際結構節點加強，且部分桿件帶有加勁肋，因此有限元模型自重要小于實際結構重量，這種差距同樣通過調整自重系數來減小。
    ①取自重系數為1.0進行計算，結果總反力為347t；按照深化設計圖紙所給材料表，統計現場加工拼裝實際結構自重為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，反映實際結構自重荷載，提取相應監測點位移撓度為：

    ③在第②種工況計算模型基礎上對支點施加水平荷載，以模擬實際結構支座情況（見圖6），荷載值按支點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撓度值時，結構桿件應力比無異常超標情況出現。
    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軸主桁架類似，跨度為54m，模擬演算跨中設置卸載位置點如下圖7所示。

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

    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，現場焊接作業量大，為保證主桁架在施工安裝過程中的安全性能及施工質量，需對各跨桁架高空組拼完成卸載后的撓度進行監測（見圖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，指導后續實際施工并為以后類似工程提供參考。

    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與滑移過程中結構受力基本相同（同步累積滑移過程基本可以理解為結構在做勻速直線運動），因此滑移區域僅對滑移前的滑移單元進行分析。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軸線主桁架實測撓度如下表：

    從上面表中可以看出，第15、16軸主桁架卸載后下撓最大撓度均發生在TJ2點，從圖6中可以得出TJ2點，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，因此發生最大撓度與實際截面變化特性具有一致性；表中TJ4、TJ3處15軸主桁架下撓值僅相差2mm，16軸線主桁架相差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處均發生上撓，與該處為懸挑端的實際情況相符。按TJ4的最大撓度70mm計算，B-G跨主桁架在自重作用下的下撓值f占跨度l的1/1300，小于鋼結構設計規范l/400的要求，說明結構施工過程是安全、可靠的。
    通過比較表2、表4數據表明,各監測點實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撓度變化幅度要小于實際觀測時各監測點撓度的變化幅度，且除個別點偏離實測結果外，大部分與實測結果接近；其中TJ1、TJ5點與實測值差別較大，聯系到計算模型撓度分布較實際結構均勻，可考慮計算模型由于采用桿系模型，剛度分布要比實際結構均勻的結果。實際結構節點均有加強，桿件截面變粗、管徑變大，因而節點處易產生剛域，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，跨中撓度實測值如下：

    通過表3、表5跨中最大撓度比較，第24、25軸主桁架跨中撓度實測值均小于模擬計算值。K～N跨主桁架在自重作用下的下撓值分別僅為跨度的1/1800和1/1534，同樣小于鋼結構設計規范l/400的要求，結構施工過程是安全、可靠的。
    6.結語
    通過對中山博覽中心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際結構受力狀態（含約束等）的情況下，其模擬計算結果可以用于指導類似結構施工。本工程大跨度空間鋼結構的順利安裝，為今后類似結構安裝積累了一定的施工經驗，同時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十分積極的意義。

    參考文獻
    [1] 中國鋼結構協會．《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-技術中心．《中山博覽中心鋼屋蓋安裝計算分析》．2007．10
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