高空大跨度拱形网架吊装方案分析与施工

高空大跨度拱形网架吊装方案分析与施工

樊永爱，李大勇

（江苏省矿业工程集团有限公司，江苏 徐州 221131）

摘 要：文章分析网架吊装过程中的受力状态，验算吊装过程的可行性。通过对网架吊装过程中的受力分析，确定了吊装方案，达到了预期目标，提高了工作效率，确保了施工安全。

关键词：拱形网架；受力分析；网架吊装

随着建筑对空间跨度要求的日益提高，网架作为一种大跨度屋盖结构已经被广泛运用到建筑工程中。这种结构的连接方式依靠钢管原本的受力，通过螺栓球将钢管连接成相互支撑的结构体系以达到系统的稳定。

1 工程概述

1.1 工程背景

某储煤场网架工程，采用螺栓球网架结构。结构形式为正放四角锥拱形网架（见图1、图2），其东西方向长201m，南北方向长80m，投影面积约为16080㎡，南北方向支点两侧标高分别为-4.1m，21.55m，高低差约为25.65m，属于存在高低差的大跨度网架结构。

图1 网架平面布置图

图2 网架立面示意图

此网架两侧非完全对称导致了结构刚度的不均匀，增加了施工难度。为保证结构顺利施工，运用ANSYS有限元分析软件模拟和分析吊装方案，并获得结构的应力、位移情况，为安全施工、精确施工提供理论支持和合理建议。

1.2 此工程施工的难点与重点

难点与重点主要有：①吊装工作难以实施。本网架结构跨度大，南北方向存在高低差，网架的整体吨位较大，成为施工过程中的一个难点；②施工工期紧，当地的气候条件较为复杂，为了能在保证安全与质量的同时加快工期进展，这便要求此工程改进施工的吊装方案。

1.3 大跨度网架施工中存在的问题

尽管目前大跨度网架的施工技术已经相当成熟，但对于大跨度网架的吊装仍然存在不少问题。通过查阅资料，现将网架吊装中固有的问题总结如下：①吊点的位置与数量难以确定。大跨度钢结构的吊装施工皆需要进行验算，选取吊装方案、确定吊点的位置与数量都需要通过计算来确定，因此应分析网架吊装时位移及受力，确定吊装的吊点；②网架结构受力受动荷系数的影响。网架吊装的过程十分缓慢，理论上，结构受吊装提升的影响较小。但是这一过程也并不是全为匀速缓慢抬升，结构抬升的速率产生变化而影响到结构的受力，因此这一影响也必须纳入重点考虑的范畴。通过查阅资料，可以将静力分析的结果乘以1.2至1.4的动荷系数以此达到研究的要求；③控制吊装过程中各机械的同步。钢网架吊装施工中控制各个吊点的速率使之达到一致是衡量吊装安全稳定性的重要指标。如果吊装提升的过程中未能很好的控制每个吊点抬升的速率，则有可能影响结构的位移与内力，造成结构失稳；④在钢网架吊装过程中对产生的耦合作用进行控制。耦合效应是指两个或两个以上子系统通过中介环节的关联和相互作用时，既有作用与反作用方式，又有吸引和排斥而形成更大系统的现象。网架结构进行吊装抬升的过程中，会产生刚体位移，结构受力由于结构的弹性形变与刚体位移的耦合作用而产生较大的变化。ANSYS有限元软件只能分别对结构的静力、动力进行分析，却无法将这二者结合来分析，这使施工吊装的过程中有了明显的不足。由于网架产生了较大的刚体位移，网架的刚度矩阵同时会发生变化，静力、动力不能合起来运用有限元软件进行分析。因此采用分离网架起吊，首先运用一定的速率将网架进行起步，起步过程中采用分布加载的办法，使抬升进行中只有弹性形变却不产生刚性位移，从而可以用ANSYS有限元法对网架弹性形变进行分析，进而保障网架达到设计荷载时的起吊和移动的安全性。只要网架的移动速率不是很大，便能保证网架抬升中只产生刚体位移，不会产生弹性形变，同样用ANSYS有限元软件分析网架的刚体位移。将网架的起步吊装通过施工工艺分成两个过程，使弹性形变与刚体位移不会同时作用于网架之上，这便不会产生耦合作用。

2 大跨度网架的施工

2.1 吊装方案的比选

目前，随着网架工程施工技术的成熟，网架的施工与安装方法主要有：①高空散装法是指在高空中将每个网架杆件通过节点进行连接的施工方法。这种方法主要应用于杆件的施工。要求施工区域下方搭设满堂脚手架，形成工作平台，施工人员在平台上完成安装作业。其缺点是搭设满堂脚手架使得工期变长而且钢管材料耗费较多；优点则为这种传统的安装方式大大地提升施工人员安全保护力；②高空滑移法是将每个杆件在地面进行拼接，形成滑移单元。将滑移单元选取吊车吊到设置好的滑移轨道上，然后进行拼装。根据现场实际情况用可以移动的滑移脚手架代替满堂脚手架。此种施工工艺的缺点是需要长时间占用垂直运输机械，由于高空拼接难度较大，施工速度也会变慢；优点则是大大节约了搭建满堂脚手架的时间和材料成本；③整体提升法是将网架在地面或者平台上拼装完毕，利用吊装机械垂直或水平吊装在需要安装的部位，最后进行调整和固定。此种施工方法缺点为施工难度大，施工场地和吊装网架重量容易被限制；优点则是由于是地面进行网架的拼装，可以缩短施工周期，提高施工效率；④分条分块吊装法是指在考虑施工现场的工况条件后，对网架采取地面拼接成块，然后于空中将拼接好的块进行吊装、安装、对接，这样可以减少高空作业，缩短施工周期。缺点是分块吊装在高空再连接时不易操作，尤其是拱形结构。

项目结合工程周围环境的特点，综合分析几种施工工艺的优点与缺点后，从经济性、安全性及质量的因素出发考虑，拟采取在地面先拼装中间两条轴线间的一跨再进行下一步作业，即采用地面拼装-整体吊装-高空向两边扩展的施工方案。这种施工方法的优点为网架起步跨在地面作业，施工操作方便，由跨中开始向两端施工，保证了施工进度，提高了施工安全性，缩短了工期。同时不需进行脚手架的搭设，节约了人工与材料，降低了工程费用。

2.2 吊装理论计算

（1）吊车选择。起步跨总重约77t，拟定选择5台吊车进行抬吊：130t汽车吊3台，50t汽车吊2台。5台汽车吊均匀分配重量，即每台吊车可分配约15.4t的重量。1台汽车吊在拱中最高点起防倾覆作用。根据以上情况进行钢丝绳的选择及吊装验算。

（2）吊装验算。根据现场情况可以使用CAD软件绘制出下图吊装模拟示意图（见图3、图4）。对吊车选择的验算，得出结论可满足施工安装的要求，结构也能保持稳定。

图3 网架安装示意图

图4 吊装模拟示意图

3 施工的创新点

通过对某储煤场网架的施工吊装的研究，得出本次施工的创新点在于：①将大量的高空作业转移到地面，缩短了网架施工的时间，提高了工作效率；②存在南北高低差的大跨度网架吊装的旋转受力，通过计算受力分析，同时经实际观测，确定了日后同样工程的可行性；

4 结束语

某储煤场网架工程，基本按照模拟预期的结果完成施工，验证了此种吊装方案的可行性。通过模拟结果可以看到，当网架吊装处于一个相对缓慢的过程时，网架的旋转受力对此网架结构的影响较小；倘若提升速度较快，则网架受到的旋转力可以影响网架的结构，因此缓慢进行吊装提升是保障施工安全性的一个必要条件。文章吊装方案对指导日后类似的工程、不断创新寻求更为安全、快捷的施工工艺具有重要的意义。在满足网架施工与使用的条件下，更为安全与经济的进行施工作业，大大缩短了工期，节省了财力，获得了可观的经济效益。

参考文献：

[1]郑永康.高空大跨空间结构施工技术应用与研究[D].南昌大学,2011

中图分类号：TU7

文献标志码：A

文章编号：2096-2789（2016）12-0149-02

作者简介：樊永爱（1981-），女，陕西渭南人，工程师，研究方向：土建工程技术。

李大勇（1967-），男，河北承德人，高级工程师，研究方向：土建工程技术。