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中山博览中心A区屋盖主桁架卸载挠度变形监测与分析

作者：安建民等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
中山博览中心屋盖采用大跨度钢桁架结构，主桁架跨度最大为90m，为保证安装质量和施工安全，施工前运用有限元软件模拟卸载工况，在施工过程种对主桁架卸载挠度变形进行了监测，并对结构监测值与模拟值进行了比较分析。

    关键词：大跨度空间钢结构 桁架挠度 变形监测 有限元模拟分析

    1.工程概况
    中山博览中心项目位于广东省中山市博爱六路（市党校东），由美国SOM设计事务所及广东省建筑设计研究院联合设计，总占地面积约250000 m2，其中建筑面积约120000m2。地上主体结构采用大跨度空间钢管桁架结构，总用钢量约18000t。
    整个屋盖钢结构通过位于12轴线的温度伸缩缝，划分为A区、C区，见下图1所示。其中A区自B轴至N轴通过格构柱或核心筒柱，划分为90m、54m、54m三跨，见下图2所示，总长216米；东西方向从12轴至26轴长252米。屋盖钢结构为双向交错钢管桁架结构，其中主桁架沿12轴～26轴共15列，每列主桁架在B、G、K、N轴遇托架处断开，并与托架相贯焊接。主桁架间距18m，高低交替呈波浪形，相邻主桁架下弦中心线标高分别为+18.150m、+13.650m，单榀主桁架高度约为4.5m～10m，主桁架下弦主要采用φ660×14的钢管，上弦主要采用φ610×14的钢管，上、下弦垂直杆及腹杆尺寸为φ508×20、φ356×10等，从12轴～26轴共有4列托架，分别架立在B轴、G轴、K轴和N轴柱顶上，柱间距36米；沿B轴～N轴次桁架共19列，间距9m，每列次桁架遇主桁架处断开，并与主桁架相贯或插板焊接连接。屋盖钢结构通过单向或双向滑动盆式橡胶支座固定在钢管格构柱顶或钢筋混凝土柱顶上。 15～26/B～G轴线区域为常年展厅，见下图1所示，该区混凝土结构设有地下室及地上二层、三层楼层结构。

    2.屋盖安装方案
    本工程屋盖桁架安装跨度大、施工工期紧张，常年展厅上方屋盖由于受其正下方地下室结构影响，吊装机械无法直接进入跨内安装。综合考虑现场结构场地及桁架结构分布情况，经过多种方案可实施性、经济性及工期等方面的比选，现场采用了“分段吊装、高空散装与累积滑移”相结合的安装方法。
    A区钢屋盖可分为累积滑移区、分段吊装区和高空散装区，见下图3所示：

    ⑴分段吊装
    A区12～26/H～N轴线区域及12～14/B～G轴线区域,由于不存在地下室结构影响，直接采用150t履带吊将主桁架分两或三段吊装，其中K～N跨分为两段吊装，在高空支架上进行对接。
    ⑵累积滑移
    A区14～26/B～G轴线区域,由于场地内存在地下室结构，起重机械无法直接进入跨内进行吊装，现场采用“地面分段拼装、高空平台组装、累积滑移”的方法进行安装。分别在B轴线和G轴线上分别架设两条高空滑移轨道，在26轴线外搭设36m拼接平台，主桁架分为三大段在拼接平台上对接，桁架拼装采用150t履带吊进行作业。每拼装完一个滑移单元，屋盖整体滑移18m，将拼装平台腾空，进行下一单元拼接，以此类推，直至完成。拼装过程在分段点设置临时格构支撑，待18m跨滑移单元区域构件拼装焊接完毕，进行临时支撑拆除卸载。
    ⑶高空散装
    待滑移区域屋盖结构滑移就位后，进行区域间的补档，采用汽车吊进行单件散装。
    3.计算机模拟分析
    ⑴第15～16轴主桁架计算机模拟分析
    选取累积滑移区90m跨第15～16轴主桁架进行有限元模拟分析，采用Midas/gen6.1.1软件，建立杆件单元模型，如下图9所示：

    由于桁架跨度距离为90m，而且桁架截面高度作折线形变化，为较好的掌握桁架整体模拟沿跨度方向的下挠情况，故在模拟计算时在桁架中部及北侧悬挑区域设置TJ1～TJ5五个卸载节点，如下图所示：

    考虑到Midas模型没有建入檩条，可以通过调整自重系数模拟加设此部分荷载。同时，考虑实际结构节点加强，且部分杆件带有加劲肋，因此有限元模型自重要小于实际结构重量，这种差距同样通过调整自重系数来减小。
    ①取自重系数为1.0进行计算，结果总反力为347t；按照深化设计图纸所给材料表，统计现场加工拼装实际结构自重为423t,对比原计算结果，将自重系数增至1.22。
    ②按自重系数1.22计算，结果总反力为423.2t，反映实际结构自重荷载，提取相应监测点位移挠度为：

    ③在第②种工况计算模型基础上对支点施加水平荷载，以模拟实际结构支座情况（见图6），荷载值按支点竖向反力乘以摩擦系数确定，此处摩擦系数取0.15。

    计算结果如下：

    以上计算机模拟得到的各点挠度值时，结构杆件应力比无异常超标情况出现。
    ⑵第24～25轴主桁架计算机模拟分析
    第24～25轴主桁架结构与第15～16轴主桁架类似，跨度为54m，模拟演算跨中设置卸载位置点如下图7所示。

    经计算机模拟分析，安装卸载完成后，第24～25轴主桁架跨中最大挠度见下表3，且结构杆件应力比无异常超标情况出现。

    4.变形监测
    由于本工程屋盖桁架跨度大，最大跨度90m，单榀主桁架自重最大约120t，桁架杆件规格众多，体系复杂，现场焊接作业量大，为保证主桁架在施工安装过程中的安全性能及施工质量，需对各跨桁架高空组拼完成卸载后的挠度进行监测（见图8），以掌控桁架高空跨度成型后的受力性能和滑移轨道梁的安全性能，指导后续实际施工并为以后类似工程提供参考。

    5.结构变形分析
    由于滑移拼装单元刚度很大，结构比较稳定，滑移前分级卸载后结构的受力状态与滑移过程中结构受力基本相同（同步累积滑移过程基本可以理解为结构在做匀速直线运动），因此滑移区域仅对滑移前的滑移单元进行分析。故分别在累积滑移区域、分段吊装区域各选取自重最大的主桁架，对其卸载后的变形情况进行监测与分析。
    ⑴累积滑移区域 第15、16轴主桁架

    第15、16轴线主桁架实测挠度如下表：

    从上面表中可以看出，第15、16轴主桁架卸载后下挠最大挠度均发生在TJ2点，从图6中可以得出TJ2点，正好处于主桁架截面比较低的位置，此部位桁架的刚度较弱，因此发生最大挠度与实际截面变化特性具有一致性；表中TJ4、TJ3处15轴主桁架下挠值仅相差2mm，16轴线主桁架相差3mm，而这两处桁架截面高度相等，且距跨端距离相等，故此两处部位的挠度值接近也符合安装前的模拟演算数值；TJ5处均发生上挠，与该处为悬挑端的实际情况相符。按TJ4的最大挠度70mm计算，B-G跨主桁架在自重作用下的下挠值f占跨度l的1/1300，小于钢结构设计规范l/400的要求，说明结构施工过程是安全、可靠的。
    通过比较表2、表4数据表明,各监测点实测数值小于桁架模拟分析的理论数值，结构杆件的受力是安全的。此外，有限元计算模型在自重荷载作用下各测点挠度变化幅度要小于实际观测时各监测点挠度的变化幅度，且除个别点偏离实测结果外，大部分与实测结果接近；其中TJ1、TJ5点与实测值差别较大，联系到计算模型挠度分布较实际结构均匀，可考虑计算模型由于采用杆系模型，刚度分布要比实际结构均匀的结果。实际结构节点均有加强，杆件截面变粗、管径变大，因而节点处易产生刚域，影响了结构局部受力，而且表中数据可以看出这种刚域效果在支座处尤为突出，导致端部或悬挑处的挠度与计算模型差生较大差异。

    ⑵分段吊装区域 第24、25轴主桁架
    第24、25轴主桁架位于 K～N跨，跨度54m，跨中挠度实测值如下：

    通过表3、表5跨中最大挠度比较，第24、25轴主桁架跨中挠度实测值均小于模拟计算值。K～N跨主桁架在自重作用下的下挠值分别仅为跨度的1/1800和1/1534，同样小于钢结构设计规范l/400的要求，结构施工过程是安全、可靠的。
    6.结语
    通过对中山博览中心A区钢结构屋盖不同区域安装桁架结构的卸载挠度变形值监测分析，可以看出有限元软件模拟实际结构分析具有一定的仿真性。在有限元模型能够较充分反映实际结构受力状态（含约束等）的情况下，其模拟计算结果可以用于指导类似结构施工。本工程大跨度空间钢结构的顺利安装，为今后类似结构安装积累了一定的施工经验，同时施工前的有限元软件模拟分析，对于保证结构的顺利安装有着十分积极的意义。

    参考文献
    [1] 中国钢结构协会．《建筑钢结构施工手册》．中国计划出版社．2004.11
    [2] 中华人民共和国国家标准．《建筑结构荷载规范》．GB 50009--2001．2006
    [3] 中华人民共和国国家标准．《钢结构设计规范规范》．GB 50017--2003．2003
    [4] 中国建筑工程总公司-技术中心．《中山博览中心钢屋盖安装计算分析》．2007．10
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