钱慧青 鄢爱新

摘要：针对网架传统施工方案中质量要求高、装配累积误差大、施工难度大、安装精度难以控制等问题，以南昌站铁路站房屋盖网架施工为例，结合现有空间网架施工技术提出了回顶法安装方案。基于ANSYS中的单元生死技术，对传统法和回顶法两种方案的网架拼装过程进行了数值模拟，获得了不同方案施工过程中网架结构的变形及应力状态，并对模拟结果进行了对比分析。结果表明：与传统法施工方案相比，回顶法施工方案能够使网架结构变形及应力有所减小，具有较强的适用性。该研究成果可为类似网架工程的施工安全性和精确成型提供理论依据。

关键词：空间网架；结构变形；回顶法施工；施工过程模拟；单元生死技术

中图分类号：TU355

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）16017104

1引言

随着国内外经济的迅速发展，许多展览馆、铁路站房、候车厅、影剧院等屋盖构造普遍采用钢结构形式，网架结构的质量事故也时有发生，例如网架在安装过程中发生整体扭曲、倒塌、数值模拟计算不符合实际情况等[1]。为避免工程质量事故发生，国内外多采用数值模拟方法对结构的真实状态进行分析，以便提前预知结构的应力变化和几何变形状态，防止网架在施工的过程中出现结构变形过大及安装应力超限等问题[2～5]。

以南昌站屋盖网架安装为例，针对该项目网架施工具有网架面积大、安装位置高、施工难度大、质量要求高等特点，在传统施工方案的基础上提出了回顶法施工方案[6]，并在网架正式施工前，采用ANSYS软件[7]建立整体网架结构模型，运用单元生死法实现了传统法和回顶法方案的施工模拟。通过对比传统法施工方案和回顶法施工方案在网架结构施工中引起的应力及挠度变化趋势，验证了回顶法施工可以解决由结构变形引起的装配累积误差及安装应力问题，从而降低施工难度，节约成本。同时，该项目施工前的施工模拟结果可以指导实际施工，为确保网架的施工安全和结构的精确成型提供了理论依据，可为类似网架结构的安装提供有益的借鉴。

2单元生技术原理

单元生死技术按照成形后结构应力、应变与施工段之间的关系，将结构各个施工段的应力、应变状态进行叠加，即如果将一个整体结构分为n块单元，施工按1、2、…..…n个阶段完成，则各施工段有限元方程[8]如下。

施工的第1阶段：

K1U1=P1，N1=K1A1U1 （1）

施工的第2阶段：

（K1+K2）U2=P2，N2=K2A2U2 （2）

…

施工的第n阶段：

（K1+K2+…+Kn）Un=Pn，Nn=KnAnUn （3）

其中Kn、Un 、Pn、An、Nn为施工至阶段n时整体结构单元的总刚度矩阵、总节点位移向量矩阵、总节点力向量矩阵、总几何矩阵、总杆件内力向量矩阵；K1…i、U1…i、P1…i、A1…i、N1…i分别为施工至阶段i时i块结构单元的刚度矩阵、节点位移向量矩阵、节点力向量矩阵、几何矩阵、杆件内力向量矩阵。

结构的总位移：

U=∑ni=1Ui，N=∑ni=1Ni （4）

网架施工过程借助ANSYS数值模拟方法，很容易得出施工过程任一阶段结构的受力及变形状态。在采用单元生死法进行施工模拟时，先将所有网架结构单元“杀死”，让整体网架结构处于刚开始的“零”状态，再按照施工顺序依次激活相应阶段的网架结构单元，并施加相应的计算荷载，通过将前一荷载步中结构的内力和位移计入下一荷载步的形式来保证计算的连续性，然后进行非线性有限元求解，实现网架结构的施工过程模拟。

3工程概况

南昌站改造工程的东站房屋盖网架采用螺栓球节点连接形式，上部为正放四角锥网架屋盖，下部为钢筋混凝土框架结构，平面尺寸为204 m×40 m。如图1所示，屋面网架施工共分为A、B、C三个区。其中A、C区网架底标高+18.6m，B区网架底标高+24.9m，为典型的不等高空间网架结构体系。

根据站房高度不相等的实际工程情况，项目部制定了不等高胎架滑移施工方法[9]，即在移动式脚手架的操作平台上每拼装完一榀网架单元，将胎架滑移至下一榀位置处，接着在前一榀网架基础上拼装第二榀，不断循环，始终使后一榀的网架单元在前一榀网架基础上进行装配，直至整个网架拼装完成。南昌站网架安装完成效果如图2所示。

4网架结构施工过程模拟

4.1计算假定

对南昌站屋盖网架结构的施工进行模拟，其基本假定可概括为：

①网架的节点为空间铰接方式；

②按小挠度理论计算；

③杆件只受轴向力作用；④结构处于弹性工作阶段。

4.2模型建立

根据南昌站网架结构施工设计图及拼装方案，A区网架结构整体有限元模型如图3所示。该模型所有杆件均采用Link180单元，取钢材的弹性模量为E=2.0×10-11，泊松比为λ=0.3。

利用上述网架结构模型，在施工前运用ANSYS软件模拟网架结构施工过程，可以预测不同施工工况网架结构的力学性态和装配累积效应，使结构的应力、变形状态始终处于安全可控范围内，既可以确保网架的施工安全和精确成型，也可以为施工方案的优化提供理论依据。

4.3传统方法拼装施工过程模拟

根据南昌站施工的特点，A区网架的拼装施工阶段共分为4个荷载步，即以跨为网架单元（一跨即一榀），完成本跨网架單元的拼装后卸载，后续网架单元在前跨已经卸载的网架结构基础上进行拼装，安装完成后卸载，顺次循环直至实现整个网架结构的装配，施工过程模拟如图4所示。

4.4回顶法拼装施工过程模拟

基于传统法施工方案，在本跨网架安装完成之后，对其进行一次回顶过程，接着安装下一榀单元，顺次循环，直至整个网架施工完成，其施工过程的模拟如图5所示。endprint

5模拟结果对比分析

2017年8月绿色科技第16期

如图6网架结构跨中挠度-施工阶段关系，已知最大挠度限值[f]= L/250=144 mm，当采用传统施工方案进行施工时，随着施工阶段的进行，最大节点位移呈逐步增大的趋势，当第四跨单元安装完成之后，跨中挠度达到60 mm，说明传统施工方法变形累积增加致使网架结构跨中挠度随拼接单元增多急剧增大，从而导致安装位移累积误差加大。而采用回顶技术进行施工时，最大节点位移有先减小后缓慢增大的趋势，当网架结构施工完成之后，跨中挠度只有9 mm，说明回顶技术随着荷载步的增加可减小网架结构的变形，从而减小装配累积误差。

通过对比，说明较传统施工方案相比回顶法施工方案更适合对网架结构进行连续装配施工。在网架大面积连续装配施工中，回顶法施工方案在进行下一网架单元安装前，对前一就位网架单元跨中变形进行回顶修正，将施工过程中的结构变形累积效应有所减小，可降低施工难度，提高施工安全性。

如图7网架结构最大应力-施工阶段关系，当采用传统方案进行施工时，网架结构最大压（拉）应力均随着拼接的网架结构单元的增加而增大，至整个网架安装完成后，最大压应力达到51.67 MPa，拉应力达到88.79 MPa，说明项目使用传统安装施工方法进行连续拼装施工会造成杆件受力逐渐增大。而回顶法的最大压应力随着拼接的网架结构单元增加有先增大后减小的趋势，且最大拉应力随荷载步的增加呈缓慢减小的趋势，当网架安装完成后，最大压应力达到45.31 MPa，拉应力只有38.15 MPa。通过对比，说明采用回顶法方法施工，在进行下一网架单元安装前，对前一就位网架单元进行回顶修正，以平衡该跨网架单元的安装应力，可以避免部分杆件受力过大的情况。

综合两种方案结构的应力变化及变形情况对比，网架结构滑移施工过程中采用回顶法施工较传统法施工更合理可行。

6结论

在实际网架拼装施工中，网架结构的刚度、外部荷载以及几何形状随着施工的进行是不断变化的，根据传统法施工模拟的结构变形、应力变化趋势，若进行连续拼装施工，则有可能在某个施工阶段的最大应力及挠度变形超过允许值，使网架在施工中处在不安全状态，最后由施工过程模拟结果对比分析得出，回顶法施工方案

图7网架结构最大应力-施工阶段关系

较传统法施工方案安全可靠。

笔者运用有限元软件ANSYS的单元生死技术，模拟了屋盖网架不同的施工过程，通过对比研究，得到以下结论。

（1）单元生死技术能有效模拟网架施工过程，其计算结果能较为真实地反映网架结构应力、应变状态。

（2）网架施工采用回顶法施工，在下一跨网架单元安装前，对上一跨单元进行回顶修正，在此基础上进行拼接安装，能够减少结构随拼装单元增加累积的变形，减小装配累积误差，保障施工质量。

（3）采用回顶法施工时需要确定具体的施工方案和步骤，并针对具体工程进行详细施工模拟，模拟结果可以指导实际施工。

（4）结构的最大应力、挠度变形不一定发生在施工完成阶段，有可能发生在施工完成的前一个阶段的施工过程。

参考文献：

[1]

陈永华. 钢网架结构安装工程质量事故分析[J].中國高新技术企业，2009（12）：112～113.

[2]杨璐，王元清，袁焕鑫，等.网架结构施工缺陷分析与处理[J].四川建筑科学研究，2014（2）：341～344

[3]刘学武.大型复杂钢结构施工力学分析及应用研究[D].北京：清华大学，2008

[4]崔晓强，郭彦林，叶可明.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究[J].工程力学，2006，23（5）：83～88.

[5]章惠冬.ANSYS单元生死技术软件在结构设计及施工中的应用[J].建筑施工，2008（9）：824～825，833.

[6]于重阳. 大跨度网架结构分片施工安装应力控制研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[7]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京：北京大学出版社，2003：51～55.

[8]王骥.预应力组合网架结构的施工模拟分析与监测技术[D].济南：山东建筑大学，2010.

[9]张江华.不等高空间网架结构的胎架滑移分段施工技术[J].建设科技，2016（15）：179 ～181.endprint