7字型桁架大跨度罩棚钢结构施工过程模拟分析

黄 珊, 郑德辉, 姜友荣, 付 航, 王永景

(1.中国五冶集团有限公司，四川成都 610063；2.四川省装配式钢结构建筑工程技术研究中心，四川成都 610063)

1 工程概况

成都凤凰山露天音乐公园看台钢结构罩棚呈月牙形(图1)，月牙两端接地，月牙中部最大高度48.85m，月牙中部最大宽度36.5m，月牙最大长度180.7m，月牙与拱支索网间雨棚最大宽度15.0m，连接于月牙上罩棚两端接地，中部支承于看台15.750m标高平台上(图2)。

图1 看台罩棚实景

图2 罩棚轴测

罩棚主体结构(图3)采用21榀“7”字形立体桁架及落地立体桁架拱组成。“7”字形立体桁架在月牙的两端分别有三榀落地，中部15榀支座均置于15.750m标高看台平台上；“7”字形立体桁架顶端均与落地斜拱相连，与斜拱共同工作。“7”字形立体桁架拐角处设立体联系桁架。 材料：均采用Q345B热轧无缝钢管(或直缝焊管)/矩管。桁架弦杆规格主要包括φ402×16、φ351×16、φ351×8等、腹杆规格主要包括φ245×12、φ159×8和φ159×5等，“7”字形立体桁架(图4)主要包括网壳连接部分、桁架竖向部分、桁架水平部分、衔接部分、悬挑部分几部分构成。

图3 罩棚组成示意

图4 7字型桁架效果

2 施工方案

(1)本工程钢结构罩棚跨度较大，结构不规则，选用分段吊装+高空散拼的方式进行安装。采用临时支架对结构进行拼装定位，带主体安装完成后再将临时支架卸载，从而使结构达到设计状态。安装顺序为落地拱立体桁架安装→7字桁架及三角桁架安装→卸载7字桁架支撑架→卸载落地拱支撑架→网壳安装→悬挑及封边桁架安装。

(2)本工程在施工阶段，划分为两个施工区，从两边向中间安装，同时展开流水作业。首先将立体桁架落地拱安装至中间的合拢区，7字型桁架从两侧以2～3个对称的结构单元为一个施工步骤，直至安装到合拢区，最后对主体结构进行合拢。

(3)本工程落地拱桁架180m，拱高48.85m，桁架在高空安装过程如何安全、精准、快速施工，是落地拱施工的关键技术难题。

3 施工过程模拟分析

3.1 施工模拟分析方法

本文采用的施工模拟方法是采用有限元软件SAP2000的一次性建模方法，先将所有杆件冻结，然后按照实际施工步骤将正在施工的单元组、荷载组、约束条件相应激活，达到模拟实际施工顺序，验证施工方案是否可行的目的。此方法综合考虑了“时效”和“路径”因素对结构的影响，分析精度较高。

3.2 施工步骤划分

施工步骤划分越细致，施工过程的模拟越真实，本工程模型将整个施工过程划分为71个施工步进行，其中前62步为安装施工步，后9步为卸载施工步。整个结构的有限元模型如图5所示，主要的施工步骤如图6所示。

图5 施工模拟有限元分析整体模型

3.3 有限元模拟模型

3.3.1 钢结构罩棚施工计算分析

现场设置26组支撑架，其中19组用于落地拱桁架吊装，7组支撑架用于7字型桁架的吊装，支撑采取独立格构式支撑架。落地拱的支撑架利用弹性约束来模拟，7字型桁架部分的7组支撑架一同建立到模型中，共同参与受力变形。本文利用SAP2000对罩棚进行计算分析，设计结构重要性系数取1，荷载工况为恒载(即结构自重)以及温度作用，荷载组合考虑1.40恒载+1.40温度荷载(降温25 ℃)。

通过计算，少数杆件应力比达到0.82，大多数杆件的应力比均在0.5以下，满足规范要求(图7)。

(a)落地拱吊装

(b)7字型桁架吊装

(c)卸载支架，安装网架

(d)安装悬挑及封边桁架图6 钢结构主要施工步骤

支撑架采用装配式格构体系，由高度4m格构单元及其连接杆件构成，节点通过螺栓连接，支撑架顶部设置可拆卸的调节定位段及作业平台(图8)。

3.3.2 双曲钢结构罩棚信息化精准就位

通过有限元软件的施工模拟计算分析计算出来的数据，如关键构件的节点位移等，为施工提供理论支撑，旨在指导施工，精准安装(图9)。

同时本工程在BIM项目平台上综合集成了Tekla深化原始模型数据、现场构件实体胎架预拼装测量数据、SAP2000施工模拟分析数据，通过数据对比分析，构件单元实体预拼装与原始模型数据偏差控制在5mm以内。现场安装以原始模型参数控制安装对接口坐标、轴线，以实体预拼装时吊装单元及施工模拟分析结果预判实际结构安装就位情况，对偏差不符合规范位置预先进行调整处理，同时在施工模拟分析过程中，位移大于15mm的支撑点，提前进行反向预偏设置。

(a)落地拱最大位移曲线

(b)7字桁架最大位移曲线图7 最大位移曲线

4 结语

(1)本文对成都凤凰山露天音乐公园主舞台看台罩棚施工进行施工模拟分析，验算了施工方案的可行性，该施工方法可供类似工程参考。

(2)本项目工期紧，根据项目结构特点，选用分段吊装+高空散拼的方式进行吊装，支撑架根据需求进行灵活周转使用，节约成本。

(3)通过模拟分析发现，钢结构的最大应力出现在7字型桁架的支座处，各关键部位的应力均满足设计规定的强度要求。

(4)最大变形出现在网壳的顶端悬挑部位，现场安装时，调整监测点位置，根据现场检测数据来看，满足设计要求。

图8 落地拱安装

图9 7字型桁架现场吊装

[1] 周观根，张珈铭，刘坚，等.杭州奥体博览中心主体育场钢结构施工模拟分析[J].施工技术.2014(8).

[2] 冯国军,马晓菲,吴旦翔.蚌埠体育中心主体育场大跨度钢罩棚施工过程模拟分析[J].钢结构, 2018(5).

[3] 郝际平,田黎敏,郑江.深圳大运中心主体育场施工过程模拟分析[J].施工技术.2010(8).