大跨度网架施工方案对比及过程仿真分析

□文/张 倩 余 流 高 璞 杜澎泉 李 娟

1 工程概况

河南省某官窖遗址展示厅工程为双层螺栓球网架，平面尺寸63 m×67.5 m，四边点支撑，柱顶标高10.65 m，总质量约330 t。见图1。

图1 网架布置

官窖遗址位于展示厅内，全部被钢网架所覆盖，平面尺寸25.6 m×34.1 m，采用螺栓球网架可避免焊接施工对遗址建筑的影响且较环保[1]。见图2。

图2 网架内部

2 施工方案比选

由于展示厅南北地形高差接近4 m，同时考虑官窖遗址建筑物，首先排除网架在地面拼装整体顶升的方案，只能在高空进行散拼。高空散拼如采用全场搭设满堂红脚手架加原建筑物上方设置滑移平台的方案，则工期较长，措施费用较高，不合理。

网架累计滑移方案，即在场地一侧搭设局部满堂红脚手架，在脚手架上进行高空散拼，局部散拼完成后，向场地另一侧滑移，滑移出脚手架后，再在脚手架上累积拼装，直至全部滑移到位，整体落位进行支座焊接。

首单元地面拼装，起重机吊装，其余单元高空散拼方案。为方便施工，防止网架在安装过程中变形过大，局部超应力，在网架内部下弦设置临时支撑点，全部安装完成后，同步卸载，完成安装。

为方便对比，根据工艺要求、现场情况和网架刚度，两种方案中均将网架安装划分为9个单元，不同的是累计滑移法先拼装滑移最远端的单元9。见图3。

图3 累计滑移安装步骤

网架支撑在混凝土柱上，原混凝土梁仅10 cm 厚且未过支座中心线，不能作为累计滑移方案中滑移轨道的有效支撑，施工有一定难度。可以另设滑移梁，上铺滑移装置，使滑移轨道中心线与网架支座中心线重合，以减小滑移过程中网架支座因受到偏心力而产生不利影响。计算网架移动所需的拉力和网架支座与滑轨间的摩擦力，合理选取牵引装置。

高空散拼方案的临时支撑应根据遗址建筑位置和网架情况确定数量和位置，做到布置均匀、数量合理，保证杆件应力和节点位移在规范[2]要求范围内。见图4。

图4 高空散拼临时支撑位置

3 过程仿真分析

结构设计通常是以完整结构在设计荷载作用下的计算模型为依据，再根据内力计算的结果确定各构件截面大小是否满足设计规范要求[3]。而施工过程中，结构形态、刚度、荷载、约束均与完工后不同，因此可能出现局部超应力的杆件和位移较大的情况，对后续施工产生不利影响，需在施工过程中采取一定措施来避免或减小。故施工过程仿真分析对工程安全、顺利施工具有很大意义。

采用有限元分析软件对施工过程进行仿真分析，荷载仅考虑网架自重。根据施工方案设置约束，累计滑移方案网架整体滑移结束后落位在支座上焊接，过程中仅沿滑移轨道（即网架的两条边）方向提供约束，分别约束竖向位移和垂直于轨道的水平位移（滑移轨道和导向轮在一定程度上能约束该方向水平位移，可设置弹性约束）；高空散拼方案首单元地面拼装后吊装就位，随即焊接长边方向的支座，过程中临时支撑架仅提供竖向约束，整体散拼完成后焊接另外三边支座，故分析时沿网架一条长边方向约束竖向位移和该方向水平位移，沿两条短边方向和临时支撑处仅约束竖向位移。见表1和表2。

表1 累计滑移方案计算结果

表2 高空散拼方案计算结果

两种方案的杆件内力、节点位移均满足规范要求[3]。由于约束条件不同，累计滑移方案的应力和位移较高空散拼方案大，尤其是Z向位移，在施工中可采取一定措施以减小变形，减少对后续施工的不利影响，如预起拱和增加滑移单元刚度。累计滑移方案提取的最大竖向反力可用于滑移梁的截面设计，高空散拼方案提取的反力可用于临时支撑结构的设计。

4 临时结构设计

施工临时结构须满足以下功能要求：正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；正常使用时，可满足施工各项性能要求；在设计规定的偶然事件发生时和发生后，能保持必需的整体稳定性[3]。

累计滑移方案的临时结构为宽度10.5 m的局部满堂脚手架，作为拼装的操作平台。

高空散拼方案的临时结构为16 个6 m×6 m×9.6 m 的落地式脚手架，顶部放置由角钢焊接而成的小钢架，可以较好地将力传递至脚手架平台，小钢架高约1 m，顶部放置1台32 t千斤顶，调节网架球标高，也便于同步卸载。见图5。

图5 高空散拼临时支撑

值得注意的是，脚手架的杆件可通过计算来验算强度、稳定性和变形，而架体的整体稳定性多通过构造措施来保证，如扫地杆和斜撑按照规范[4～5]要求布置等。

5 结论

通常一个工程有多种施工方案可供选择，需综合考虑工期、成本、安全性和现场实际情况，优选合理可行的方案。

本工程如采用累计滑移方案，需加设滑移梁，滑移过程中严密监测，以保证同步性且过程中杆件应力和节点位移较大，需采取一定措施。高空散拼方案设置临时支撑结构较多，但过程中应力和变形更好控制且螺栓球网架的安装精度要求更高，故最后选定高空散拼方案。