大跨度次屋面桁架受限空间整体提升施工技术及仿真分析
1 工程概况
深圳国际会展中心C11展厅 (见图1) 平面尺寸为99.0m×219.0m, 结构最高点为26.4m, 钢结构主要由下部钢框架结构、次屋面箱形平面桁架顶棚、屋面倒三角桁架钢罩棚组成, 其中屋面倒三角桁架共9榀, 由18根钢管混凝土柱支撑, 桁架尺寸均为7m×7m, 桁架为南北向, 跨度为99m, 下弦顶标高为19.000m, 桁架间距18m;次屋面箱形平面桁架共10榀 (图2) , 位于倒三角桁架正下方, 由20根箱形柱支撑, 桁架高4.3m, 桁架为南北向, 跨度73.5m, 上弦顶标高18.550m, 桁架间距9m。屋面桁架上方金属屋面施工完成, 且次屋面桁架与屋面倒三角桁架重合的位置净距仅450mm, 次屋面桁架施工空间受限。
图1 C11展厅屋面平面
Fig.1 Roof plan of C11 exhibition hall
2 整体提升施工方案
2.1 提升点位布置
提升点位布置需综合考虑提升结构提升过程的内力状况、变形情况、受限空间碰撞问题、施工成本。提升点位选取:保证次屋面桁架提升过程中, 桁架体系受力均匀, 变形均匀可控以及提升过程中桁架体系的稳定性。
由于次屋面桁架施工空间受倒三角桁架及上层金属屋面影响, 提升点位布置受限, 故采用间隔布置 (见图3, 4) , 避开碰撞区域, 采用提升塔架, 在主次桁架节点处对称布置12个提升点, 其中DD2～DD11为主提升点, 选用提升器规格为TLJ-2000, DD1和DD12为辅助提升点, 选用提升器规格为TLJ-600。提升点位布置均匀, 受力状态合理;施工用提升塔架周转使用倒三角桁架支撑胎架, 有效控制了施工成本。
图2 C11展厅屋面剖面
Fig.2 Roof profile of C11 exhibition hall
图3 提升点位平面布置
Fig.3 Plan layout of lifting points
图4 提升点位立面布置
Fig.4 Elevation layout of lifting points
2.2 受限空间提升问题
问题:提升器设置完成后, 提升器顶部与金属屋面距离仅为2.0m, 提升器TLJ-2000提升钢绞绳规格为18×12, 提升过程中, 2.0m净空距离钢绞线无法自然下垂, 存在破坏屋面隐患。
解决措施:提升前, 选用比设计需求值长4m的钢绞线, 提升器在地面安装钢绞线, 将钢绞线伸出提升器顶部3～4m, 将钢绞线扳弯后, 再安装提升器 (见图5) , 增加限位装置, 确保提升器在提升过程中能够自然下垂。
2.3 提升施工过程
次屋面桁架整体提升施工过程:地面放线拼装桁架结构, 提升支撑系统安装, 液压千斤顶提升桁架至设计标高, 补装后补杆件, 整体卸载拆除支撑体系。
图5 提升器安装
Fig.5 Installation of hydraulic lifting device
1) 地面放线拼装测量放线, 设置拼装胎架, 离地0.8m支撑桁架下弦, 随后安装直腹杆, 安装桁架上弦, 嵌补斜腹杆的拼装思路;自西向东逐榀拼装, 相邻两榀桁架通过上、下弦连系杆件组合成整体。
2) 安装提升支撑系统安装提升架、分配梁、提升器 (提前设置钢绞线防冒顶措施) 、下锚点。严格控制上、下锚点垂直度偏差不超过提升高度的1/1 000。
3) 正式提升 (1) 预提升根据理论计算吊点反力, 分5级加载, 直至桁架结构离地100mm。调整桁架位置至水平后, 静置12h, 进行全面检查, 确保提升支撑体系、提升设备、结构焊缝、上下锚点焊缝等无异常。 (2) 整体同步提升整体提升速度控制为5m/h, 提升高度为15m, 提升过程中实时监测结构位移及液压提升器油压情况。 (3) 提升就位提升就位后, 暂停液压提升系统设备, 通过手动模式微调桁架结构空中姿态及结构位置, 直至满足钢桁架安装精度需求。
4) 补装杆件提升就位后, 补装预留杆件, 优先补装主桁架预留杆件, 随后补装其余杆件。
5) 整体卸载预留杆件焊接完成后, 采用整体分级压力同步卸载方式, 根据计算值分5级完成卸载。卸载过程实时监测结构位移及液压提升器油压情况。
6) 临时支撑体系拆除桁架结构卸载完成后, 拆除提升设备、补强杆件、临时支撑体系。
3 整体提升仿真分析
采用有限元分析软件Midas Gen对整个提升过程进行仿真分析。分析过程中, 桁架杆件及连系杆件均以梁单元模拟, 通过边界条件模拟桁架提升过程的体系转换。仿真分析主要验证整体提升过程中桁架结构应力水平、变形情况及提升器吊点反力。确保提升施工的安全性, 并为提升过程监控监测提供理论依据。
3.1 提升施工阶段
1) 提升阶段分析对象为提升部分桁架结构。液压整体提升速度稳定, 可简化为静力计算。各提升点边界条件采用z向约束+x, y向弱弹簧约束, 弱弹簧刚度取值100N/mm。
2) 补装阶段分析对象桁架结构及周边框架结构。桁架提升就位后, 完成后补杆件安装, 与周边框架结构形成整体, 框架结构柱底部采用固定支座。
3) 卸载阶段分析对象桁架结构及周边框架结构。桁架安装完成后, 采用整体分级压力同步卸载, 分为5级卸载, 逐步释放荷载。
3.2 荷载取值
1) 施工阶段荷载取值
提升施工阶段计算仅考虑桁架结构自重及附属结构 (马道, 檩条、机电风管) 自重, 荷载系数取1.2倍。
2) 提升架荷载取值
荷载组合:1.2×支架自重+1.4×提升反力最大计算值。
3.3 施工阶段分析
桁架结构整体提升过程中, 各阶段结构应力比分析结果如图6～8所示。根据不同施工阶段的结构应力比水平分析结果, 整个施工过程中, 同步整体提升阶段最大应力比为0.356, 后补杆件补装阶段最大应力比为0.235, 同步卸载阶段最大应力比为0.439。结构应力比分布均≤0.5, 桁架结构体系强度满足施工要求。
图6 同步整体提升阶段应力比 (最大值:0.356)
Fig.6 Stress ratio of synchronized whole lifting stage (the maximum value:0.356)
3.4 提升架分析
桁架体系整体提升过程中, 提升架竖向荷载取提升反力最大值1 580kN;液压提升中钢绞线的垂直夹角不允许>1°, 提升架水平荷载取FH=1 580×tan1°=1 580×0.017=26.86kN。提升架分析结果 (见图9, 10) , 提升架在提升过程中整体分析最大应力比为0.584, 其中提升梁开孔后, 分析结果局部最大应力值为314.3MPa, 小于材质容许应力 (Q345B) , 满足施工要求。
图7 后补杆件补装阶段应力比 (最大值:0.235)
Fig.7 Stress ratio of rear-mounted Bar in installation stage (the maximum value:0.235)
图8 同步卸载阶段应力比 (最大值:0.439)
Fig.8 Stress ratio at synchronized unloading stage (the maximum value:0.439)
图9 提升架整体应力比 (最大值:0.584)
Fig.9 Overall stress ratio of hoisting frame (the maximum value:0.584)
4 结语
本文提供了一种受限空间整体提升的处理方式, 主要针对次屋面桁架提升施工过程进行仿真分析, 确保整体提升过程中提升架及桁架结构体系处于安全状态。实际施工情况表明, 提升过程措施结构稳固牢靠, 提升全过程平稳可控, 于2018年12月7日, 历时9h, 顺利完成提升施工, 验证了验算过程的合理性。
图1 0 提升梁应力 (最大值:314.3MPa)
Fig.10 Lifting beam stress (the maximum value:314.3MPa)
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