仿真模拟分析技术在超重超大跨度渐变多边型截面并联式空间桁架累积滑移施工中的应用

仿真模拟分析技术在超重超大跨度渐变多边型截面并联式空间桁架累积滑移施工中的应用

刘方星 江拓

中建二局安装工程有限公司 河北 廊坊 065000

摘要：随着展馆经济的不断发展，全国各地为了带动经济的活力，越来越多的高大空间展馆应运而生，为了保证展馆的高大空间的使用需求，越来越多的大跨度桁架得到了应用。同时随着建筑技术的发展，仿真模拟技术对建筑施工安全等精准的验算与分析，作为施工技术的有力支撑，越来越受到建设者的青睐。西安丝路国际展览中心一期项目，其中重型展馆屋架为大跨度渐变多边型截面并联式空间桁架结构，其施工技术采用的是累积滑移施工技术，在累积滑移施工过程中，仿真模拟分析技术的应用，不但对施工安全进行了验证，同时对其桁架的变形趋势进行了分析，有力的保证了累积滑移施工技术的完美实施。

关键词：超大跨度；空间桁架；累积滑移；仿真模拟

1.工程概况

西安丝路国际展览中心一期项目，重型展厅屋架为大跨度超重渐变多边型截面并联式空间桁架，桁架跨度为117m，长度为141m，截面为渐变的六边形，位于支点位置截面高10.4m，中部截面高6m，边跨桁架单榀重量为540t，中跨桁架单榀重370t。展厅两侧为双层钢骨柱混凝土框架结构，中间为开敞空间，地下为双层地下室。经方案比选，大跨度超重渐变多边型截面并联式空间桁架施工采用累积滑移施工技术，为保证施工安全、提高施工质量，施工全过程采用了仿真模拟分析技术。

2.累积滑移关键工序介绍

2.1累积滑移施工流程

大跨度桁架累积滑移施工流程如下：

图1 累积滑移施工流程

经过分析发现，累积滑移施工，关键施工工序共五个，高空胎架设置、高空拼装、滑移前卸载、累积滑移及整体卸载。

2.2关键施工工序介绍

2.2.1高空拼装胎架设置

胎架由塔吊标准节组装而成，上部两个标准节之间设置作业平台，方便高空拼装作业；支撑架上方设置支撑均为机械连接结构，方便拆除和安装。

图2 高空拼装胎架

2.2.2桁架高空拼装

桁架高空拼装采用从中间向两端分段对称吊装的顺序进行，桁架高空拼装时，端部分段桁架需设置抗倾覆支撑，中间段桁架设置防倾覆支撑。

2.2.3滑移前卸载

卸载整体顺序：从两端向中间对称卸载。

目的：卸载时，使桁架先在滑靴位置受力，在向中间逐步卸载的过程中，利用滑靴与轨道的摩擦力，减弱卸载后两端桁架柱脚向外位移距离。

卸载过程中，对桁架下挠、应力进行监测。

2.2.4桁架累积滑移

（1）在单榀桁架安装时，安装抗倾覆措施；第一榀桁架卸载完成后滑移一个轴线位置。

（2）第二榀拼装焊接完成后，从两端向中间进行卸载。

（3）第二榀桁架卸载完成后，第一二榀桁架间进行连系杆件嵌补，两榀桁架同时滑移。

（4）依次类推，累积滑移完成。

2.2.5整体卸载

桁架整体滑移到位后，进行整体卸载，因同时卸载使用措施较多，因此采用从一端到另一端的分级卸载。

3.施工分析

在累积滑移施工过程中，根据其施工关键技术，针对累积滑移的危险性较大的施工技术进行仿真模拟分析，对桁架的高空拼装胎架、桁架滑移前卸载、桁架的累积滑移、桁架滑移到位后整体卸载等进行仿真模拟分析。

3.1高空胎架稳定性验算

在桁架拼装过程中，需保证高空拼装胎架的承载力及稳定性，通过仿真模拟分析，对其进行承载力及稳定性计算。

应力云图

位移云图

通过对高空胎架的整体承载力及稳定性分析，验证高空胎架设计的合理性，保证高空胎架使用的安全性。

3.2滑移前卸载仿真模拟分析

桁架卸载时，高空拼装胎架承载力及稳定性进行分析，桁架的应力及变形分析，保证施工安全；

桁架卸载顺序为从两端向中间进行分级卸载，最不利工况为，卸载到最中间两点支撑时。

对称卸载四点应力云图

对称卸载四z方向变形图（竖向：mm）

经分析，在卸载过程中，拼装胎架稳定性及承载力能够满足施工要求。

通过对胎架承载力、稳定性，胎架应力应变进行分析，确保卸载时，保证胎架的安全性，及桁架应力比不超过规范，如此确保卸载方案的可行性。

3.3桁架滑移过程仿真模拟分析

桁架滑移过程仿真模拟分析，从第一榀桁架滑移、前两榀桁架累积滑移、一直到前八榀桁架累积滑移，共八个滑移状态进行仿真模拟分析（本文中只列举了前八榀桁架累积滑移仿真模拟分析）。

前八榀桁架滑移应力分析

前八榀桁架滑移竖向位移分析

经对累积滑移过程仿真模拟，满足施工要求。

主要针对桁架滑移过程中的应力、及位移变化的分析，作为现场实施依据，在滑移过程中通过检测，来确定滑移过程的安全性。

3.4桁架不同步分级卸载

因桁架共16榀，如同时卸载，需要设备较多，同时不能保证同时性，如此考虑从一端到另一端进行分级卸载，即从一端到另一端一榀桁架一榀桁架的卸载，所以需对桁架不同步向下位移进行仿真模拟分析，分析杆件应力比是否超限，桁架卸载高度为40mm，即卸载不同步高度为40mm。

经仿真模拟分析，桁架在不同步卸载高度40mm卸载时，桁架各杆件应力比满足施工要求。

3.5施工完成后结构再分析

3.5.1施工完成后结构再分析要点

桁架整个施工过程中，其变形及应力变化较大涉及三个阶段，即桁架滑移前卸载、桁架滑移和桁架安装完成后装修、机电、金属屋面安装后的加载；施工完成后结构再分析，是针对最后一种情况进行分析，其主要目的是，根据结构完成后仿真模拟分析，确认最终的桁架下挠值，从而提前进行预变形设置，保证桁架最终结构状态与设计状态一致。

3.5.2施工完成后结构仿真模拟分析

第一步：释放位移阶段，应力最大为97MPa，跨中挠度最大为195.5mm。

应力云图

Z向位移云图

第二步：耦合连接阶段，应力最大为97mm，跨中挠度最大为195.9mm，表明横向位移已基本释放。

应力云图

位移云图

第三步：综合验算阶段，在以上施工状态基础上，考虑各类荷载组合，对结构进行验算。应力比如下图所示不超过0.85，满足设计要求。

图25 应力比验算

4.结束语

随着经济发展，涌现了越来越多不同功能需求的建筑，随着建筑功能需求的增加，其结构要求越来越高，而仿真模拟技术越来越多应用到施工中来，对高、大、难的结构施工，起到了保驾护航的作用。对于仿真模拟技术的应用，需要对施工工艺进行全面考虑，针对施工过重中结构的受力条件的变化而产生的应力变化和变形变化进行分析，从而保证了施工中的结构安全和施工后结构形态与设计形态的一致性。相信，本文的总结能够为其他复杂结构的施工仿真模拟分析提供一定的借鉴意义。

参考文献

[1]吴大刚，胡凤琴，杨晓杰，中山博览中心钢屋盖施工模拟分析，第二届全国钢结构施工技术交流会论文集，2008, TU758.11，TU391.3