某大跨度储煤仓索桁架屋盖施工模拟分析

2022-11-07李聪聪

科技创新与应用 2022年31期

李聪聪，李娟，刘香

（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古包头 014010）

索桁架结构具有造型轻盈、节省材料等优点，目前主要应用于大型体育馆等公共建筑。索桁架结构用于大跨度储煤仓，可以弥补传统钢结构储煤仓自重大、用钢量大的不足[1]。大跨度索桁架结构储煤仓由主柱、抗风柱、钢桁架梁、撑杆、稳定索、承重索、上下斜拉索、纵向索、柱间檩条及拉条组成。索桁架屋面系统从零应力态到初始态的过程是索系从“柔”转“刚”的过程。这一过程中，对屋面索系施加了足够的预应力，使屋面系统保持稳定的形状及承载力[2-3]。因此，索桁架结构屋面系统的施工对于整个结构的施工至关重要。本文以某大跨度索桁架结构储煤仓为例，针对该储煤仓的屋盖施工方案进行研究。本文研究内容为该类型储煤仓施工提供理论依据，有利于大跨度索桁架结构储煤仓的推广。

1 工程背景

本文以包头市某公司大跨度储煤仓为例。该储煤仓面积为120 m×180 m，结构跨度为120 m。储煤仓屋盖采用鱼腹式索桁架体系，共有19榀索桁架，各榀之间连有纵向索，表面覆盖轻型屋面板。如图1所示。储煤仓侧立面如图2所示。中间榀索桁架构件布置如图3所示。屋面索系均采用高强封闭索，拉索参数见表1，储煤仓其余基本构件参数见表2。

表1 结构拉索参数表

表2 结构基本构件参数

图1 大跨度索桁架结构储煤仓三维示意图

图2 侧立面图（单位：mm）

图3 中间榀索桁架示意图（单位：mm）

2 索桁架屋盖施工方案

根据索桁架结构储煤仓的结构特点及索结构技术规范规定，对索桁架屋盖的施工拟定了“低空组装索系，整体提升分级张拉”的施工方案。施工步骤如下。

（1）低空组装屋面索系。首先在场地内搭设脚手架，脚手架中间高度为6 m，两端高度为2.1 m。其次利用吊车和索盘进行放索和铺索，将稳定索和纵向索铺设在场地内投影位置的脚手架上，铺设完毕后安装索夹。最后将连接后的稳定索和纵向索利用提升工装提升至一定位置后安装撑杆，并连接承重索。

（2）整体提升屋面索系。将提升点设置在柱顶位置，在柱顶位置搭建施工操作平台。将稳定索作为提升载体，利用液压同步提升系统整体。提升过程中，利用倒链牵引纵向索和承重索头，当稳定索提升到位后，承重索和纵向索的索头距离耳板位置较近，便于后续张拉。

（3）张拉索系。屋面索系整体提升到位后直接张拉稳定索和纵向索到位，然后张拉上斜拉索到位，最后按照20%、40%、60%、80%、90%和100%分级依次张拉下斜拉索和承重索到位。

（4）安装屋面板。所有拉索张拉到位，索系具有一定的刚度后安装屋面板。

索桁架索系安装过程如图4所示。

图4 索桁架拉索安装过程

3 施工过程有限元模拟分析

3.1 施工特点及有限元分析法

从施工力学的角度分析，本工程中索桁架结构属于柔性结构，对结构施加预应力后，应力的分布决定了结构的几何形状。当外荷载作用时，索桁架结构通过变形调整张力以抵抗外荷载[4]。

本文采用有限元软件MIDAS Gen对索桁架结构施工过程模拟分析，该软件与同类软件相比在空间结构施工阶段分析方面更加成熟，操作步骤简单，非线性分析功能全面。建立结构的整体模型后，按照结构的施工步骤将同一施工步骤中出现的杆件、边界及荷载划分为同一组，并将各个结构组、边界组及荷载组定义到相应的施工阶段。利用MIDAS Gen施工分析数据中的累加模型计算时，下一个施工阶段的内力和变形随上一个施工阶段变化，此时单元被钝化是将某一个极小的因子与此单元的刚度矩阵相乘，被钝化单元的特性可以看作是无穷小的量，对其他单元不产生影响。在模型求解过程中只考虑被激活的构件而不包括被钝化的构件，按照施工步骤将安装构件激活，未安装构件钝化，最终达到真实施工模拟的目的[5]。

结构构件之间的连接形式为：钢柱与钢桁架、墙面檩条及拉条之间为刚接，拉索与钢构之间为铰接，拉索与拉索之间为铰接。其中拉索采用索单元模拟，撑杆采用桁架单元模拟，其余钢构件均采用梁单元模拟，屋面板和墙面板采用板单元划分网格模拟。本文采用施加初拉力荷载的方法施加预应力。

3.2 施工模拟分析

3.2.1 施工步骤的划分（表3）

表3 施工步骤划分

3.2.2 稳定索索力变化

根据施工模拟可知，屋盖受力最大位置为中间榀索桁架处，因索桁架受力对称，所以提取以下编号位置稳定索索段索力进行分析，如图5所示。

图5 中间榀稳定索索段编号

稳定索编号索段索力变化如图6所示。由图可知，对称位置的索段索力值和均变化趋势相同。随着承重索的逐级张拉，索桁架两端位置稳定索索力逐渐下降，中间位置稳定索索力逐渐增加。施工步骤10中，承重索张拉到位，各稳定索索段索力达到最大值，后续步骤索力无明显变化。各索段索力最大值范围为180～860kN，与各编号索段索力设计值偏差在10%范围内，满足规范要求[6]。结构最终成型时索力呈现从中间向两端逐渐递减的特点。

图6 稳定索索段索力变化

3.2.3 承重索索力变化

同理，提取以下编号位置承重索索段的索力进行分析，如图7所示。

图7 中间榀承重索索段编号

承重索编号索段索力变化曲线如图8所示。由图可知，对称位置的承重索索段索力值相同，变化趋势相近。施工过程中各索段索力逐渐增加，当预应力施加到80%时，承重索各索段索力几乎相同，施工步骤10中，各索段索力达到最大值，范围在5 500～6 300 kN之间，与各编号索段索力设计值偏差均在10%以内，满足设计要求[6]。

图8 承重索索段索力变化

由上述稳定索和承重索索段索力变化曲线可知，当承重索未施加预应力时，由于索系自重作用，索桁架中间位置的承重索索段及两端位置的稳定索索段受拉力较大。虽然稳定索施加了预应力，但索桁架拉索依然处于“柔”的状态，并不具备承受外荷载的能力。随着承重索的张拉，稳定索和承重索各索段之间索力得到平稳的转换，最终达到设计要求索力，实现结构从“柔”到“刚”状态的转化。

3.2.4 索桁架屋面竖向位移变化

通过施工模拟分析可知，索桁架屋面系统在张拉过程中竖向位移变形具有对称性。竖向位移值呈现屋面中间位置大、屋面四周小的特点。在索系张拉过程中，屋面系统撑杆两端位置节点竖向位移变化具有同步性。因此，本文选取屋面系统1/4区域内撑杆上端的6个关键节点，如图9所示。通过分析各关键节点竖向位移，反映索桁架屋面系统竖向位移变化。

图9 关键节点编号

施工过程中各关键节点竖向位移变化曲线如图10所示。由图可知，施工过程中索桁架屋面系统边节点竖向位移变化不明显；中间节点竖向位移值先减小后增大，方向由下向上。当承重索的预应力施加到90%时，屋面呈现水平状态。随着承重索的张拉到位，中间节点位移逐渐增大，方向向上。结构成型时屋面中间位置节点竖向位移值为118 mm左右，方向向上；边节点位移值为5 mm左右，方向向下。最终屋面系统竖向位移满足设计要求。