杭州国际博览中心大跨度钢管桁架施工技术研究

GXF360 2017-06-16

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杭州国际博览中心大跨度钢管桁架施工技术研究

葛　杰　王桂玲　王玉岭　张晓勇

(中国建筑第八工程局有限公司，上海　200122)

摘　要：杭州国际博览中心Ⅴ区三层无柱展厅部分设有14榀72m跨梭形管桁架。桁架采取“地面拼装，整体抬吊”的方案进行安装，钢管桁架跨度大，受现场施工条件影响，桁架挠度变形等不确定因素较多，施工质量控制难度较大。针对该项目中大跨度钢管桁架施工特点，对钢管桁架的施工过程进行模拟分析，并对比分析钢管桁架施工完成状态与原设计状态下的结构响应差异，为合理确定构件在施工前的预起拱值提供依据。通过对大跨度钢桁架的施工方案分析，可确保桁架杆件安装的精度以及施工过程的安全性和经济性。

关键词：大跨度钢管桁架；桁架施工技术；施工完成状态；设计状态；预起拱

0　前　言

大跨度空间结构多采用钢管桁架结构体系，空间管桁架刚度大，用钢量小，适用于复杂多变的建筑形式，结构体系传力过程明确[1-4]。钢桁架杆件一般采用圆形钢管，弦杆根据建筑要求一般为曲线，构件加工精度要求较高，制作安装难度大，因此需要对此类结构的施工技术进行深入研究。

杭州国际博览中心项目由会议会展、上盖物业、屋顶花园、地下商场、地下车库及机房共5大功能区组成。按平面划分共有9个区：Ⅰ区为会议部分，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ区为会展部分，Ⅵ、Ⅶ和Ⅷ区为上盖物业A、B、C塔楼，Ⅸ区为下沉式广场。地上部分结构体系以钢结构为主，其中Ⅴ区三层无柱展厅部分为72 m跨的梭形管桁架，共14榀，桁架两端铰接于柱端。桁架布置示意如图1所示。

图1　桁架布置

1　结构体系设计要求

1.1　设计标准

根据GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》[5]，该工程的建筑结构安全等级为二级。结构设计使用年限为50年，设计基准期为50年。建筑物耐火等级为一级。

1.2　抗震设防烈度和设防类别

项目所在地为杭州市萧山区，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组。根据GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》[6]，该项目中Ⅴ区无柱展厅部分建筑抗震设防类别为乙类。

1.3　设计荷载取值

主体结构风荷载体型系数根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[7]中与本工程相近的体型取值，风振系数按照GB 50009—2012中的公式计算。钢管桁架部分结构体系的荷载取值如下。

1)恒荷载标准值：1.1 kN/m2；

2)屋面活荷载：0.5 kN/m2；

3)雪荷载：0.5 kN/m2；

4)风荷载：1.21 kN/m2；

5)桁架下弦节点处吊挂荷载：1.0 kN；

6)温度作用：±25 ℃。

1.4　材料与杆件尺寸

钢管桁架体系钢材均为Q345B，每榀桁架主要由上弦杆、下弦杆、水平腹杆和斜腹杆组成，桁架间及桁架与框架梁间的连接杆件由上弦水平支撑和上弦系杆构成，杆件间的连接为焊接。杆件截面尺寸如表1所示。

表1　杆件截面

结构名称杆件名称截面规格管桁架上弦杆?325×16下弦杆?465×24下弦杆?465×32水平腹杆?180×8斜腹杆?180×8连接杆上弦水平支撑?219×8上弦水平支撑?273×16上弦系杆?159×8上弦系杆?180×8

2　钢管桁架施工工艺

2.1　施工方案的确定

施工技术方案的选择应综合考虑场地条件、施工工况、机械性能、施工成本等因素[8-10]。杭州国际博览中心项目Ⅴ区3层无柱展厅部分的大跨度钢管桁架采用“地面拼装，整体抬吊”的方案进行安装。该施工技术方案即是对大跨度钢管桁架在地面上进行合理分段，然后进行整体拼装，最后采用吊装机械整体抬吊，并安装就位。待14榀桁架吊装完成后，再安装上弦水平支撑和上弦系杆。钢管桁架吊装示意如图2所示。

图2　钢管桁架吊装示意

2.2　管桁架的吊装

桁架由于跨度较大，采用两个吊车8个吊点同时起吊。为减小桁架变形，提高桁架吊装的稳定性，使吊装时桁架的受力工况接近于安装后的工况，尽量保证桁架正负弯矩相等或接近，尽量减小桁架杆件挠曲变形，由此来确定吊点在桁架中的位置。另外，吊点位置应设在桁架节点处，且应保证节点部位具有足够的强度以满足桁架的吊装。

2.3　安装顺序

管桁架由于跨度较大，采用两台1 100 t行走式动臂塔吊进行整体吊装，安装顺序由北向南，倒退式安装，安装路线如图3所示。

图3　钢管桁架安装路线

3　钢管桁架模拟计算

该项目中钢管桁架单榀跨度达到72 m，桁架间距为9 m，共有14榀，针对大跨度钢管桁架施工特点，对钢管桁架的施工过程进行了模拟分析，并对比分析了钢管桁架施工完成状态与原设计状态下的结构响应差异。

3.1　计算模型

根据结构及构件特点，采用通用有限元分析软件MIDAS对72 m大跨桁架进行三维建模。模型中桁架部分杆件及连系杆均采用Bernoulli-Euler梁单元，单位统一采用SI国际单位制(kN，m)。根据设计图纸要求，钢材为Q345B，弹性模量取2.06×105 MPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。采用Mises屈服准则的理想弹塑性本构关系，单轴屈服强度按照GB 50017—2003《钢结构设计规范》取值。

钢管桁架的平面布置如图4所示，图中给出了桁架两端支座编号，以及每榀桁架下弦杆跨中节点处的编号，便于结构构件的响应分析。

图4　钢管桁架平面布置示意

3.2　支座反力

钢管桁架安装完成后将对桁架两端框架柱顶部产生支座反力。为了对比吊装、安装完成后钢管桁架支座处产生的支座反力和原设计状态下的支座反力间的差异，分别对⑨轴线和⑩轴线上各支点处X和Z方向支座反力进行了对比，对比结果如图5和图6所示。

从图5和图6可以看出，第1榀桁架和第14榀桁架两端处的支座反力在施工状态与设计状态下的差异比较明显，而其他支座处支座反力值很接近。第1榀和第14榀桁架除外，从各支座处的反力变化可以看出，X方向的支座反力各支点起伏较大，而Z方向变化较小。

图5　⑨轴线支座反力

图6　⑩轴线支座反力

3.3　桁架体系的最大响应

表2给出了钢管桁架在施工完成状态和原设计状态下的杆件最大响应值。两种状态下桁架杆件均产生Z方向较大的位移值，可以看出：施工完成状态下的竖向挠度值偏大，这与实际施工过程有关。整个桁架体系施工过程，首先是将14榀桁架吊装且安装就位，此时每榀桁架已经自由产生自身的挠曲变形，然后按照施工顺序将上弦水平支撑和上弦系杆连接到每榀桁架上，此时再次形成桁架体系的挠曲变形。而原设计状态是所有钢管桁架与水平支撑及上弦系杆一次安装到位，整体形成桁架体系下的挠曲变形，受桁架体系各杆件的共同作用，因此形成的挠度值要小于实际的施工完成状态下的挠度值。

表2　桁架最大响应

工况X向最大位移/mmY向最大位移/mmZ向最大位移/mm最大压应力/MPa最大拉应力/MPa施工完成状态原设计状态 2.332.2412.687.2131.6530.6318.2863.7040.9340.78

施工状态与原设计状态下的最大拉应力均出现在桁架跨中下弦杆处，拉应力值非常接近；桁架体系中最大压应力则出现在上弦水平支撑和上弦系杆处，差别明显，同样与杆件的施工顺序密切相关。

3.4　桁架的挠曲变形

在施工状态和原设计状态下，各桁架对应节点处的挠曲变形值均比较接近，沿跨度方向每榀桁架各节点的竖向挠度变化曲线也比较光滑和圆润，说明实际施工过程并没有对每榀桁架中杆件的受力性能造成影响。钢管桁架体系施工完成后的结构变形如图7所示。图8为典型桁架两种状态下沿跨度方向的挠度变化曲线。

图7　钢管桁架结构挠曲变形示意

a—施工完成状态；b—原设计状态。
图8　典型桁架挠度变化曲线

3.5　桁架跨中节点挠度对比

考虑施工完成状态和原设计状态，图9和图10分别给出了每榀桁架跨中位置处Z向和Y向的位移对比，桁架跨中节点编号在图4中标出。从图9可以看出，桁架体系中中间区域的几榀桁架挠曲变形很接近，即施工过程对桁架在竖向挠度的影响很小，而对桁架体系中端部的几榀桁架的竖向挠度影响相对较大些。受构件安装顺序的影响，每榀桁架的跨中在Y向，即垂直于桁架的水平方向位移差别较大，如图10所示。

图9　桁架跨中节点Z向位移对比

图10　桁架跨中节点Y向位移对比

4　结束语

杭州国际博览中心项目大跨度钢管桁架采取地面拼装，整体抬吊的方案进行安装，由于其跨度大，受现场施工条件影响，桁架挠曲变形等不确定因素较多。本文对钢管桁架的施工过程进行了模拟分析，通过对比钢管桁架施工状态与设计状态下的结构响应，得出以下主要结论：

1)分阶段吊装施工完成的钢管桁架体系，端部两榀桁架的支座反力施工状态与设计状态差别明显，其他支座处差别很小，各支座反力在水平方向起伏稍大，竖向反力值较为接近。

2)受施工顺序的影响，施工完成状态下的桁架最大竖向挠度值较原设计状态下偏大。

3)施工状态与设计状态下的最大拉应力均出现在桁架跨中下弦杆处，而桁架体系中最大压应力则出现在上弦水平支撑和上弦系杆处，压应力值差别明显。

4)施工过程对桁架的竖向挠度影响较小，对水平向，特别是垂直于桁架的水平向位移影响较大。

5)大跨度钢管桁架施工前应根据各榀桁架分布及承载特点进行计算分析，以确定合理的结构预起拱值，减小施工完成时的结构构件响应差异。

参考文献

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[5]　GB 50068—2001　建筑结构可靠度设计统一标准[S].

[6]　GB 50223—2008　建筑工程抗震设防分类标准[S].

[7]　GB 50009—2012　建筑结构荷载规范[S].

[8]　王美华，柏国利. 上海世博中心大跨度钢桁架整体提升稳定性分析[J]. 施工技术，2009，38(8)：16-19.

[9]　郭彦林，崔晓强. 大跨度复杂钢结构施工过程中的若干技术问题及探讨[J].工业建筑，2004，34(12)：1-5.

[10] 葛杰，王玉岭，王桂玲，等. 杭州国际博览中心大跨度钢桁架吊装施工过程仿真分析[J].钢结构，2013，28(9)：64-67.

RESEARCH ON THE CONSTRUCTION TECHNOLOGY OF LONG-SPAN STEEL TRUSS OF HANGZHOU INTERNATIONAL EXPO CENTER

Ge Jie　Wang Guiling　Wang Yuling　Zhang Xiaoyong

(China Construction Eighth Engineering Division Co.Ltd, Shanghai 200122, China)

ABSTRACT：The column-free exhibition hall of the third layer in Ⅴ-region of Hangzhou International Expo Center is composed of 14 fusiform steel trusses, whose span is 72 m. The construction program “ground assembly and integral lift” was applied in truss installation. The deflection of steel truss was hard to predict because of long span and some uncertainties including the impact of the on-site construction conditions, thus the quality of construction was difficult to be controlled. In this paper, based on the construction features of large-span steel truss, structural response differences between construction completion status and original design status were comparative analyzed by simulation analysis of long-span steel truss, which provided the basis for the reasonable pre-arching of members during the pre-construction phase. The accuracy of the truss rod installation, safety and economy of construction process could be ensured by the simulation analysis of long-span steel truss.