刘 新，张 军，胡长明，梅 源

（1.陕西铁路工程职业技术学院新校区建设指挥部 ，陕西渭南714000；2.中国中铁一局集团有限公司，陕西西安710054；3.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055）

大型网架结构提升施工可靠性数值分析

刘 新1，张 军2，胡长明3，梅 源3

（1.陕西铁路工程职业技术学院新校区建设指挥部 ，陕西渭南714000；2.中国中铁一局集团有限公司，陕西西安710054；3.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055）

某大型钢网架结构采用分段拼装、扒杆整体提升的施工方法，以该结构的施工安全性为研究对象，建立网架结构整体数值模型，利用有限元软件对网架及扒杆进行不同工况下的结构受力及变形进行了详细的分析，并估算了结构板在施工过程中的可靠性。计算结果表明：大面积大跨度网架结构采用地面分段拼装、拔杆整体提升的方法是安全可行的，研究结果为网架结构安全施工提供了理论依据。

网架结构；施工安全性；数值分析

近年来，在体育场、会展大厅、飞机库等大跨度结构中，网架结构因其受力简单、刚度大、自重轻、整体稳定性好等优点已广泛得到应用，其作为钢结构中代表性的体系已在大型建筑中具有举足轻重的地位。但由于大型网架结构施工阶段结构内力分布也具有很强的可变性，因此，大跨空间网架结构施工过程的安全性是施工过程中必须注意的重要问题。

针对网架设计与施工安全性的分析问题，已取得了一些成果。张纪刚［1］对青岛体育中心游泳跳水馆网架结构进行了详细的有限元数值分析。郑君华［2］对一空间网架进行了温度力的计算与影响分析。张春玉［3］提出了预应力网架结构的优化模型，并给出了具体的优化设计步骤，验证了模型的可行性。董石麟［4］系统介绍了该网架初步设计及整体有限元分析的情况，就网架结构在与上、下游墙体的不同连接方式下的整体受力性能及经济性作了比较，并针对网架结构分析了简化计算结果与整体分析结果的差别。王艳巍［5］用ANSYS软件建立钢网架屋顶结构的有限元模型，结合该结构的实际受力状态、材料特性、几何特性及边界条件等相关参数，对模型进行加载计算和求解。陈适才［6］针对首都机场新华航空机库网架结构存在不同层数、不同高度以及存在错位等问题，提出“分片拼装－分片提升－整体拼装－整体提升”的累积提升施工方法，对分片合龙施工技术、合龙数值模拟技术以及累积提升过程结构计算等相关问题进行分析与研究。

本文针对某大型钢网架结构采用分段拼装、扒杆整体提升的施工方法。以该结构的施工安全性为研究对象，建立网架结构整体数值模型，利用有限元软件对网架及扒杆进行不同工况下的结构受力及变形进行了详细的分析，并估算了结构板在施工过程中的可靠性，为结构的安全施工提供了理论依据，计算分析过程可为类似工程提供参考。

1 工程概况

某工程网架结构形式为正方四角锥网架，网架总投影面积约20 953 m2，悬空投影面积约15 064 m2。网架结构支座高度0.75 m，上下弦节点均在不同半径的弧线上，上弦弧半径为126.035 m，下弦弧半径为101.75m，下弦拱高为5.464m，跨中最小结构矢高为3.036 m，下弦中心最高点距楼面19.314 m。

本工程采用分块拼装整体提升法。首先根据现场实际情况在楼面上拼装单个网架提升单元，然后利用6个钢格构式拔杆、24个手动倒链将提升单元整体提升至安装位置［7－8］。网架在施工时的受力状态和受力模型处于不断变化中，施工前必须全面考虑施工过程中的各种不利工况并进行验算［9－10］。

2 网架提升安全分析

2.1 吊装单元

吊装时将整体网架分成若干单元采用扒杆提升。吊装单元如图1所示。

图1 网架吊装单元

2.2 分析模型

计算模型所取钢材弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度取为8.75×103kg／m3计算时乘以系数1.35，热膨胀系数为1.2×10－5／℃。计算吊装单元网架实际重量为61 t，考虑安装过程其它荷载及动力效应，计算时取网架重量84 t。由于节点实际为焊接，因此，模型中所有节点均考虑为固接［11］，建立网架和拔杆整体模型如图2所示。

图2 网架吊装单元有限元模型

2.3 工况设置

当六组拔杆中某一组在提升网架过程中提升网架局部高于其它五组拔杆时，网架、拔杆处于最不利状态。吊装单元拔杆共设3组每组2个，结构对称，故只要考虑一侧任意一组拔杆或中间任意一组拔杆在提升网架过程中提升网架局部高于其它五组拔杆的两种计算工况，计算工况设置如下：

工况1：在结构自重作用下，1组拔杆提升网架过程中，提升网架局部高于其它5组拔杆6 cm。

工况2：在结构自重作用下，2组拔杆提升网架过程中，提升网架局部高于其它5组拔杆6 cm。

2.4 计算结果与分析

（1）网架结构整体变形

网架吊装单元在提升过程中整体变形计算结果如图3所示。

由图3可知：工况1条件下网架整体结构位移最大值是7.4 cm，工况2条件下网架整体结构位移最大值是6.3 cm，均变形较大。施工过程中所有杆件连接、拔杆安装、倒链安装完成后，开始提升。每个拔杆上的操作人员均听从的统一指令，同时操作。网架提升至离地10mm时，暂停提升，检查所有杆件连接是否正常，检查倒链工作状态是否良好，否则放下重新整改。每提升约1m高度时，用水准仪测量结构提升过程中的同步性 ，直至安装到位［12－15］。

（2）网架及拔杆应力

网架吊装单元及拔杆在提升过程中应力计算结果如图4所示。

由计算结果可知：工况1中网架应力最大值为80MPa，拔杆应力最大值是73.7MPa；工况2中网架应力最大值是169 MPa；拔杆应力最大值是73.7 MPa。由于本工程网架及扒杆全部采用Q235钢材，因此，各工况中杆件最大应力均未超限，满足安全要求。

图3 网架变形计算结果

（3）拔杆支座反力

拔杆编号为1～6，每组扒杆角点与结构板固接，连接部位按逆时针编号为①～④，如图5所示，计算得到的各工况扒杆支座反力见表1、表2。

图4 网架结构及扒杆应力计算结果

图5 扒杆及单元节点编号

表1 工况1拔杆支座反力

（4）结构板承载力验算

①网架提升施工荷载计算

由上述计算可知：由于提升结构与扒杆分布位置基本对称，提升过程中，扒杆支座受剪力及弯矩较小，受竖向荷载较大，因此，需验算结构板的竖向承载力。分别将工况1、工况2中扒杆支座反力转化为楼板均布荷载，并与楼板面层及活荷载比较，以判断结构板承载力是否满足要求。

表2 工况2拔杆支座反力

工况1：扒杆最大竖向荷载出现在扒杆1支座，其值为：G1＝55＋61＋38.128＋30.607≈184.7 kN

工况2：扒杆最大竖向荷载出现在扒杆2支座，其值为：G2＝45.5＋52.1＋43.3＋41.5＝182.4 kN

由于本工程扒杆基本均匀对称布置，因此可把扒杆传递的荷载并转化为面荷载，对下层板进行校核，取 G1作为最不利荷载，并将其转化为0.766 kN／m2的面荷载。

②结构板承载力估算

由于，建模计算结构板承载力，工作量较大，实际施工也不需要，在估算结构板承载力时，在不考虑板自重的情况下，将扒杆传递的荷载与结构板面层横荷载及施工活荷载组合值加以对比即可估计施工安全性，这种估算方式简单且安全系数较高，本工程扒杆下层板装修层做法及荷载标准值从上至下分别为：

20mm厚的磨光花岗岩：0.56 kN／m2

30mm厚1：3干硬性水泥砂浆：0.435 kN／m2

35mm厚的焦渣混凝土垫层 ：0.595 kN／m2

20mm厚的无机铝盐防水砂：0.40 kN／m2

合计：1.99 kN／m2

计算时恒荷载按1.2取系数，活荷载按1.4取系数，可计算结构板面层及活荷载组合值为：

G0＝1.2×1.99＋1.4×3.5＝7.288 kN／m2，远大于扒杆最不利条件传递的荷载，可见，本工程网架在安装的过程中是比较安全的。

3 结 论

网架提升是风险性较高的施工过程，需要对施工过程结构的力学行为进行严密的计算，才能保证网架提升的施工安全，通过本文的计算可以得到以下结论：

（1）大面积大跨度网架结构采用地面分段拼装、拔杆整体提升的方法是安全可行的，且能够大量节约成本，满足项目工期要求；

（2）网架地面拼装的方式，最大限度的减小了空中作业量，很好的保证了拼装质量和作业人员的安全，适用于大型工程分段改造工程，使得工程内部设备以最快的速度重新投入使用。

［1］ 张纪刚，张同波.青岛体育中心游泳跳水馆网架结构施工监测与模拟分析［J］.施工技术，2009，38（10）：30－32.

［2］ 郑君华，黄呈伟.温度作用下空间网架的有限元计算［J］.昆明理工大学学报（理工版），2002，27（6）：112－116.

［3］ 张春玉，王振清 ，韩玉来，等 .预应力网架结构优化分析［J］.哈尔滨工程大学学报 ，2006，27（5）：718－720，727.

［4］ 董石麟，李元齐.三峡水电站左岸厂房上部网架结构整体分析［J］.空间结构 ，2000，6（4）：3－10.

［5］ 王艳巍，李 霞，李中华.有限元分析在钢网架屋盖结构设计中的应用研究［J］.铁道工程学报 ，2007，（6）：48－51，59.

［6］ 陈适才，闫维明，周海洋，等.首都机场大跨网架结构累积提升施工技术的相关问题分析［J］.工业建筑，2010，40（11）：105－110.

［7］ 董石麟，罗尧治 ，赵 阳 .大跨度空间钢结构的工程实践与学科发展［J］.空间结构，2005，11（4）：3－10，15.

［8］ 鲍广鉴.钢结构施工技术及实例［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［9］ 中国建筑工业出版社编.建筑施工手册（4版）［M］.北京：中国建筑工业出版社 ，2003.

［10］ 冶金工业部建筑研究总院.GB50205－2001钢结构工程施工质量验收规范［S］.北京：中国计划出版社，2002.

［11］ 范 重，刘先明，胡天兵，等.国家体育场钢结构施工过程模拟分析［J］.建筑结构学报，2007，28（2）：134－143.

［12］ 李建雄，张文学，刘曙光，等.狭窄空间内大跨重型钢结构施工技术［J］.施工技术，2011，40（2）：38－40＋59.

［13］ 张同波，肖 杰.青岛地区大型钢结构工程施工方案选择［J］.施工技术，2008，37（增刊）：82－85.

［14］ 陈冬冬.大跨度网架结构整体提升技术研究与应用［D］.重庆：重庆大学，2010.

［15］ 崔 锴.基于ANSYS在两种建模方式下的网架结构受力分析［D］.太原：太原理工大学 ，2012.

Numerical Analysis of Construction Reliability for Large－Scale Space Truss Structure Lifting

LIU Xin1，ZHANG Jun2，HU Chang－ming3，MEIYuan3
（1.Construction Headquarters of New Campus，Shaanxi Railway Institute，Weinan，Shaanxi714000，China；2.China Railway FirstGroup Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi710054，China；3.College of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an，Shaanxi710055，China）

One large－scale space truss structurewas assembled in sections and then lifted as awhole by using derrick masts.Taking construction safety of the space truss structure as the study object，a numericalmodelwas built to analyse the strained condition and deformation in differentworking conditionsby using a finite elementsoftware.The reliability of structural slabs in construction processwas computed at the same time.The results indicate that it is feasible and safe to assemble the truss structure in sections then lift the partsasawhole by using derrickmasts.This study provides theoretical support for the safety of the truss structure construction.

truss structure；construction safety；numerical analysis

TU745

A

1672—1144（2014）04—0099—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.018

2014－02－27

2014－03－31

国家自然科学基金项目（50978219）；陕西省教育厅专项科研计划项目（12JK0898）

刘 新（1965—），男 ，山东临清人 ，讲师 ，主要从事土木工程施工与管理方面的工作。