某双层拱形网壳结构 (见图1) , 总用钢量约9 300t。结构长280m, 宽150m, 高120m。标高64.237m以上为弧形网壳结构, 标高28.000m以下部分为圆管桁架, 采用插入式柱脚;标高28.000~75.000m为平板网架, 平板网架倾角为7°。门框结构顶标高120.000m, 85.000m标高以下为双层网壳, 网壳厚度5.84m;85.000m标高处设置门顶桁架梁, 外挑20.2m。门顶桁架梁至拱顶区域为门头网架, 门头网架厚5.4m。山墙为焊接球网架结构, 范围从地面直至结构顶部。

网壳结构常见的施工方法主要有:高空原位拼装、结构滑移、外扩提升、外扩顶升以及分块吊装等。本工程采用网壳结构外扩累积液压提升, 设立提升支撑架, 将网壳分区, 根据高度不同均分成6个提升单元 (以下简称单元) 和1个吊装单元, 如图2和图3所示, 通过逐步外扩拼装, 提升点置换, 逐步提升。安装过程如下:①第1单元在拼装平台上拼装完成, 水平临时拉索进行张拉, 然后利用液压千斤顶将第1单元提升至一定高度;②进行第2单元的拼装, 第2单元拼装完成后, 网壳整体落位在马凳上, 进行水平拉索置换与张拉, 将第1, 2单元整体提升一定高度;③按照以上施工方法, 依次完成第1~6单元的提升;④吊装单元最后采用分块吊装的方法直接安装到位。

本工程采用累计提升施工方法, 各杆件的内力在施工过程中会发生较大变化, 甚至出现拉压杆的转化, 导致杆件失稳或超应力, 或是结构变形过大不满足设计要求。本文采用有限元分析软件MIDAS Gen 8.26的累加模型进行施工仿真分析。

施工方案中进行了6次提升, 6次的结构体系转换, 以及6次水平拉索的置换与张拉, 因此本文取17个模型状态与1次卸载工况进行分析, 其提升阶段模型如图4所示。

网壳结构采用梁单元, 提升点根据提升支撑架与马凳的等效水平、竖向刚度对网壳结构进行弹性约束。提升过程仅考虑支撑架的竖向弹性支承, 提升临时固定采用三向弹性支承, 体系转换时采用马凳的竖向弹性支承。水平拉索采用只受拉单元进行模拟。在各提升阶段, 对应力比>0.8的杆件进行杆件加强与替换, 根据施工过程考虑结构的几何非线性、温度等因素建立施工过程模型。

网壳结构的施工阶段模拟分析与验算考虑永久荷载、风荷载、温度荷载、水平拉索预应力以及提升过程不同步作用等。

包括结构自重, 檩条、部分屋面板自重。

提升过程考虑8级风, 风荷载取0.22k N/m², 提升固定与结构体系置换阶段考虑50年一遇大风, 风荷载取0.45k N/m²;屋面板处考虑实际受风面, 荷载体形系数根据矢跨比分别取屋盖迎风面+0.8, +0.6, 屋盖顶部-0.8, 屋盖背风面-0.5, 其余考虑网壳杆件受风面。

考虑±20℃作用。

根据不同施工阶段施加拉索预应力, 整个过程最大索力为1 530k N, 最小索力为400k N。

考虑单提升点±10mm。对网壳结构提升工况校核时, 提升动力系数取1.1。在变形和反力计算时, 不考虑荷载分项系数和动力荷载系数。

按照施工过程各状态的数值模拟分析, 考虑时变效应, 对施工过程、风荷载作用、水平临时拉索的拉力优化进行分析, 确保结构施工的安全性与经济性, 为现场施工提供依据。

1) 提升过程变形分析按照各个施工步骤对整个网壳结构进行施工模拟分析, 取施工一区两侧对应的2个提升点 (编号4789, 4834) 为控制点分析节点受风荷载作用下y方向位移变化趋势, 计算结果如图5~6所示。

从图5分析可知:①考虑风荷载时, 结构位移幅度明显增大, 这是由于风荷载作用以水平风为主, 施工一区提升点y方向水平位移随提升单元的增加而增大, 其中最大位移是控制点4789在CS6-1阶段为159mm;②当网壳固定于提升架时, 从CS1-1到CS6-1的6个阶段, 工况CS1-1和CS2-1控制点水平位移几乎相同, 从CS3-1工况开始控制点4789位移增幅随单元增加较4834逐渐增大;③同样的结构落放到马凳上时, 从CS1-2到CS5-2的5个阶段, 工况CS1-2和CS2-2水平变形基本相同, 从CS3-2工况开始控制点4789的y方向位移增幅较4834逐渐增大, 这是因为随着单元的增加, 结构的整体刚度减小, 结构自身的变形增大;④当网壳从提升架落放到马凳上进行支撑转换时 (如从工况CS5-1至CS5-2) , 网壳的竖向约束转换成刚度K弹性约束, 这时y方向水平变形减小, 因为网壳总位移是提升架水平变形与结构自身变形的和, 故其降低幅度应为提升架的水平变形量, CS表示结构仅提升时的工况。

分析图6可知, 跨中z方向 (竖向) 位移由于风吸导致呈降低趋势, 随着提升单元的增加, 结构提升状态下与落放状态时受风荷载影响的位移增幅逐渐减小, 对比有风与无风时最大位移增幅为41.8mm。可以看出考虑风荷载后, 结构水平位移会有所增加, 给水平抗侧力结构带来更大的水平力, 因此需在施工时采取限位措施和缆风绳等抗风措施, 减小结构的位移, 保障施工安全, CSA表示结构施工阶段全过程工况。

为了抵消网壳提升过程产生的水平推力, 减小结构自身变形, 每个单元提升时均设8根拉索, 施工一区拉索布置如图7所示。针对以上拉索设置进行优化设计并进行模拟仿真计算, 在6次提升过程中每次提升拉索的内力包络值如图8所示。

由图8分析可得随着被提升结构矢跨比增大, 网壳水平外张力呈逐渐增大趋势;当提升到第3单元时, 上部网壳矢跨比>0.5时, 水平张力增幅逐渐减小, 平板网架平衡一部分水平推力。其中各单元的拉索在提升过程中最大拉力1 532k N, 最小拉力474k N, 本工程选用的拉索破断力值为3 600k N, 拉索安全系数均大于2.0, 满足提升安全要求。

单元1~3安装时, 结构高度低, 所受风荷载相对较小, 支撑架能够抵抗水平力的作用, 因此前3个单元不拉设缆风绳。第4~6单元提升高度较高, 提升到位后拉设缆风绳。根据设计说明相关数据, 对施工过程中的抗风措施进行计算校核。计算结果如表1所示。

由表1可知, 结构在两侧设置缆风绳后, 在施工一区第6单元y方向最大位移为85.0mm, 较未设置缆风绳时得到很好地控制, z方向位移及应力也得到了较好地控制, 而此时各区缆风绳的张拉力最大分别为205k N和292k N, 均小于36t (360k N) 的破断力, 满足设计要求。由此表明在风荷载作用下结构将产生一定变形, 应力有较明显增加, 但通过抗风措施, 结构各杆件组合应力均未到达设计强度, 满足施工要求。

结构的卸载过程分为提升架拆除和拉索拆除2部分。卸载过程应采用油压千斤顶同步卸载, 结构落地后进行节点焊接并拆除拉索, 拉索拆除采取应力同步释放措施。

经分析, 结构卸载时最大z方向位移出现在合龙缝处, 主要是屋顶梁下挠引起的变形, 其值最大为110.8mm, 小于JGJ7—2010《空间网格结构技术规程》要求, 所以结构施工变形满足要求。杆件最大应力为108.8N/mm², 结构的受力性能具有较高的安全储备。

大跨钢结构受温度作用影响大, 在安装时需要在基准温度下进行结构监控, 还需要对结构的安装预留合龙缝, 防止温度应力与焊接应力叠加, 使结构产生较大的内应力, 从而使结构安装后出现变形较大的情况。

本工程采用外扩累积提升的施工方案, 根据结构的特点分析可知, 沿长度方向结构形式改变较小, 但纵向长度较长, 为了与设计意图相符, 在中间轴线瑐瑥轴处设置1条合龙缝。2个区域施工完成后, 再进行合龙施工, 减小合龙施工对结构的影响。为了加快合龙施工进度, 减小温度变化对合龙施工的影响, 考虑采用两侧同时由上至下依次施工, 合龙施工方向如图9所示。

根据项目进度安排可知合龙施工在10月份进行, 查阅近年气象资料可知平均温度为25℃, 因此合龙温度按5种工况进行计算, 分别为平均温度25℃, 考虑温差作用 (25±10) ℃, (25±20) ℃进行计算。荷载组合采用1.2D+1.4T进行计算, 其中D为永久荷载, T为温度荷载。结构合龙缝处杆件变形及应力随温度变化情况如表2所示。

由表2可知, 合龙温度的选择对结构成型后的受力状态有不可忽略的影响。升温10℃时合龙杆件的应力由77.5MPa增加至107.1MPa;降温5℃时为66.1MPa。升温20℃时, 合龙缝连接杆件应力增加至136.8MPa, 合龙杆件的位移变化较为明显, 其中z方向位移降温时由41.2mm增加至82.0mm, x方向和y方向也皆有变化。故为避免合龙杆件发生较大位移和应力变化, 合龙温度应严格控制与平均温度温差不超过10℃。

通过MIDAS软件对屋盖网架提升及卸载过程进行全过程模拟分析, 可得到如下结论。

1) 提升过程中受风荷载影响, 控制点y方向水平位移随着被提升单元的增加而增大, 结构自身刚度逐渐降低, 提升架水平变形量逐渐增大;跨中z方向位移由于风吸原因反而呈降低趋势, 结构被提升状态下与落放状态时受风荷载影响的位移增幅逐渐减小;当结构被提升过程设置缆风绳时, 水平位移y得到较好地控制。

2) 对结构的提升架和拉索进行卸载分析, 发现在卸载过程中结构变形以及应力比皆满足施工要求, 各单元的拉索在提升过程中安全系数均大于2.0, 研究结果对结构卸载具有指导作用。

3) 合龙温度的选择对结构成形后的受力状态有不可忽略的影响, 故为避免合龙杆件发生较大位移和应力变化, 合龙温度应严格控制平均温度控制在±10℃。