大跨度钢结构屋架整体提升支架选型的研究与应用

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

1 概述

上海浦东国际机场上海科技宇航有限公司大修机库工程大厅屋盖钢结构单跨跨度156.8 m，进深79.7 m。屋盖结构为网架+桁架的组合结构，网架结构采用3 层斜放四角锥钢网架，网架高度7 m；机库大门处屋盖采用焊接H型钢截面桁架，桁架高度13.8 m。屋盖下弦支承于周边混凝土柱上，网架和桁架构件总质量约2 850 t。

2 整体提升支架初步设想

钢结构整体提升技术被广泛应用在大跨度钢结构的提升施工技术中，但在整体提升支架的选型上，仍普遍存在一定缺陷[1]。

整体提升吊点支架的常规做法为：在大跨度钢结构屋架四周的原结构立柱上设置悬挑钢平台，在钢平台上放置液压提升器及液压泵源系统等设备。此种提升支架的做法，在提升时原结构立柱受到偏心力的作用，承受较大的弯矩影响，对原结构立柱的裂缝控制极其不利，往往需要对原结构立柱进行一定的补强[2]。

在本次大修机库大厅提升支架设计时，希望采取对称设置提升支架的方式，来解决原先提升支架方案中结构柱偏心受力的问题。

3 整体提升支架的选型

3.1 建立计算模型

大修机库钢结构屋下的支承混凝土柱截面形式为1 800 mm×1 200 mm（1 000 mm），桁架两侧支撑混凝土柱截面形式为2 500 mm×2 500 mm空心柱（壁厚500 mm），立柱高度30 m，混凝土强度等级为C35。

计算机建模采用ANSYS软件进行设计。提升吊点采用钢绞线支座形式。钢屋架整体提升计算荷载为3 070 t，荷载分项系数为1.35，风荷载考虑8级风，B类地貌[3]。屋架提升过程中风荷载通过柱顶提升支架结构传递给混凝土柱。先不考虑立柱支撑的水平钢支撑。

3.2 支座反力计算

机库大厅共有24 根混凝土立柱，现拟选用其中16 根立柱作为提升吊点。

各提升吊点采用模拟实际钢绞线的支座形式。利用计算软件模拟计算模型实际提升过程中钢绞线根数对反力的影响，支座反力统计的工况即为结构自重工况[4]。选取几个反力较大的吊点作为计算依据，钢结构屋架最大反力和位移均位于桁架部位（图1）。

3.3 网架提升支架选型

根据网架结构形式，在柱顶设置门式钢架，在钢架顶端两侧对称设置的提升油缸及钢绞线，组成柱顶对称提升支架。

3.4 桁架提升支架选型

桁架位于4 个空心柱之间，无法采用对称提升支架。桁架柱在屋盖网架自重作用下提升最大荷载约为550 t，考虑桁架自重较大，常规的悬挑支架对结构立柱影响较大，拟增加斜向支撑减少桁架对结构立柱偏心弯矩的影响，如图2所示。

图1 网架对称提升支架立面示意

图2 桁架提升支架立面示意

4 结构验算

4.1 相对刚度验算

由于本次整体提升的钢结构屋架为桁架+网架的组合结构，两种结构的整体刚度不同，在整体提升时，易出现两种结构间的位移不同，并且提升过程中不同提升点之间由于相对位移高差会对计算机控制系统的整体提升产生较大影响。故首先需对各提升吊点间的相对刚度进行验算[5]。

以发生位移的支座点的位移为横坐标轴，以该位移下相应支座点的支座反力为纵坐标轴，做位移-荷载曲线，即为两支座之间的相对刚度曲线。相对刚度的统计采用方法：给某一个节点一个（0 mm，5 mm）的位移，统计当此点发生位移后，周边受影响较大的提升点，并且统计这个点相对于影响较大的点的相对刚度。统计在其余点都保持同一个水平面的情况下，保持结构安全的最大提升点位移。

现根据计算机模拟计算结果，分别截取网架、桁架内相对刚度较大的提升吊点如图3、图4所示。

图3、图4中曲线数据反映出，桁架1#网架提升吊点7a#相对刚度最大，整体提升时需以1#、2#提升吊点的载荷作为荷载控制依据[6]。

4.2 最大提升位移统计

图3 提升点1相对于其余点相对刚度

图4 提升点7a相对于其余点相对刚度

通过计算机模拟将所有提升吊点都调平在同一水平面上以后，统计某一提升点相对于这一水平面上的最大位移。当发生此最大位移时，必须保证结构在1.35dead+1.4live（live表示此点的最大位移）组合下承载能力满足要求。各个提升最大位移如表1所示。

表1 各个提升点最大位移

4.3 结构立柱验算

4.3.1 网架区域结构立柱

网架风荷载取值为Px1=28.8 kN，Py1=56.7 kN。柱子自身风荷载近似看成线荷载，风压高度变化系数取20 m处平均风压系数：柱子内力为2 393 kN ，x向矩为2 890 kN·m，y向弯矩为1 473 kN·m ，经验算，网架下混凝土立柱受力属于大偏压。

经验算，承载能力为：5 157 kN＞2 393 kN，弯矩承载能力为 8 625 kN·m＞2 899.6 kN·m，满足原结构设计要求。经计算，不会出现裂缝情况。

4.3.2 桁架区域结构立柱

网架风荷载x向为28.8 kN，y向为56.7 kN。柱子自身风荷载近似看成线荷载，风压高度变化系数取20 m处平均风压系数，柱子内力为7 030 kN ，x向弯矩为2 687 kN·m，y向弯矩为18 547 kN·m，承载能力满足验算。

y向弯矩计算近似认为当受拉侧钢筋屈服时，受压侧混凝土压碎，不考虑压侧钢筋的作用，考虑此时的平均应力，弯矩为76 758 kN·m＞18 547 kN·m，抗弯承载力满足。

经计算：0.052 mm＜0.2 mm不会出现y向裂缝情况。x向弯矩为85 969 kN·m＞2 687 kN·m，抗弯承载力满足。经计算不会出现x向裂缝。

4.4 提升支架结构验算

4.4.1 桁架柱顶提升支架结构验算

根据设计图几何尺寸，利用ANSYS有限元软件，建立桁架柱柱顶提升支架模型，物理参数为：拉压弹性模量2.06×1011Pa、泊松比0.3、密度7.85×103kg·m3。

桁架柱在屋盖网架自重作用下提升最大荷载约为550 t，取荷载系数为1.4，桁架柱上的设计荷载为770 t。以面荷载的形式施加在4 块油缸垫板上，约束4 根柱子底面所有线的X、Y、Z位移。

根据计算机模型模拟计算（图5、图6），得出桁架柱柱顶结构的最大应力为270 MPa，出现在斜撑杆与立柱相交的个别节点上，柱顶提升支架最大结构变形为7.6 mm。

图5 整体应力分布情况（MPa）

图6 桁架柱柱顶结构变形分布情况（mm）

4.4.2 网架柱顶提升支架结构验算

根据设计图几何尺寸，利用ANSYS有限元软件，建立网架柱柱顶提升支架模型，物理参数为：拉压弹性模量2.06×1011Pa、泊松比0.3、密度7.85×103kg/m3。

网架柱在屋盖网架自重作用下每个吊点提升最大荷载约为100 t，取荷载系数为1.4，网架柱上的设计荷载 140 t。由于是柱顶两侧对称设置提升吊点，建模时，每个柱顶模型中考虑了2 个提升点，总荷载为280 t，以面荷载的形式施加在2 块油缸垫板上，约束4 根柱子底面所有线的x、y、z位移。

根据计算机模型模拟计算，得出周边柱及后排柱柱顶结构的最大应力约221 MPa，出现在立柱与侧面的筋板的焊缝底端的个别节点上，柱顶提升支架最大变形为2.7 mm。

4.4.3 验算结论

从上述验算结论可知，最大值应力都属于局部挤压应力，结构的最大变形也在可控范围之内。此提升支架设计方案安全可行，可以满足施工要求。

5 实践效果

大修机库工程钢结构屋架顺利进行完成了整体提升，原计划14 h完成的整体提升任务，仅耗时12 h即将钢结构屋架提升到设计标高，在提升过程中，所有提升支架结构未出现任何不利情况，并顺利完成了提升支架部位永久杆件置换工作。提升完成后，对混凝土立柱的检查后未发现一条结构裂缝。

经过大修机库工程现场施工实际经验证明，该对称提升支架形式完全可以胜任如此高质量、大跨度桁架+网架组合结构的整体提升施工要求，永久结构立柱也未出现任何裂缝等结构损伤情况。为今后同类型工程的钢结构屋架整体提升支架的设计、选型提供了有益参考。