空间网架结构的施工技术与施工过程模拟分析

空间网架结构的施工技术与施工过程模拟分析

王宇

中机建（上海）钢结构有限公司上海200000

摘要：对于大跨度复杂造型网架结构要跟踪分析结构施工过程的不同阶段受力、位移状态，检查安装过程中结构的安全性及卸载完成后结构的可靠性，这样才能确保网架结构的施工质量。

关键词：空间网架；施工技术；过程模拟；监测

1工程概况

本工程网架结构为正交正放类网架结构，网架平面为周边弧形的扇形形式（见图1），网架面积3729m2，网架与下部33根钢结构柱采用万向铰支座连接，每个支座标高各不相同，网架结构部分:钢管主要为无缝钢管，钢球主要为45号钢空心球及螺栓球839种，网架杆件1369种，整体重238t。本网架工程采用整体北低南高的建筑形式，结构标高9.662～14.948m。跨度较大且有较大坡度。

2钢结构整体施工技术

2.1施工方案优选

从整体来看钢结构的安装非常复杂，尤其是屋面钢网架结构，由于网架覆盖面积大，整个网架沿轴线方向呈波浪形，且站房中央地带存在地铁地下通道，吊装机械布置受到限制，造成构件吊装半径较大，安装难度极大。以下介绍了几种网架结构的安装方案并结合工程的特点进行比较优选。

方案一:高空散装法。高空散装法是在网架结构的下方设置满堂脚手架支撑，网架的焊接球及网架杆件的安装均采取单件安装的方法进行。高空散装法的优点主要是构件安装灵活性较高，构件吊装重量较轻，且可同时大面积施工。针对工程屋面网架结构而言，高空散装法其网架覆盖面积过大，且网架临时支撑架设置高度太高，工装用量偏大，同时，其下部候车厅层钢桁架结构安装完成后对构件的吊装存在较大制约，该种安装方法显然是不可取的。

方案二:分块提升法。分块提升安装法是利用网架自身的结构构造柱设置液压提升装置，网架在柱间分成块状在地面安装位置拼装然后整体提升到位。此类方法在单层网架结构安装中应用较为普遍，且可实施性较好，网架安装快捷方便，临时支撑用量较少。但工程网架支撑柱局部位置为树形分肢钢柱，大部分网架支撑体系采用树形柱进行支撑，而网架柱网间距较大，钢柱的结构承载能力有限，不能仅利用单柱结构作为提升支撑柱，需设置临时辅助支撑柱进行支撑。另外，在树形柱区域结构网架受树形柱结构的影响无法进行提升。

方案三:滑移安装法。滑移安装法主要采取在网架外侧设置高空拼装平台，网架在高空平台上进行分条拼装，然后采取累积滑移的方法逐条逐片滑移到网架安装位置。该工程屋面网架纵向方向整体呈波浪形，其纵向方向滑移无法实现。横向滑移网架长度较长，达300多米，滑道设置数量较多，滑道支撑架的结构承载能力要求较高，支撑体系重量较重，网架安装到位后，其下部受高架候车厅层的影响，重型吊机无法进入，临时支撑拆除难度较大。

方案四:分条分块吊装安装法。分条分块吊装安装法通过对网架结构整体进行合理的分条分块，在网架安装位置附近进行地面拼装，然后采用大型履带吊吊装到位的安装方法进行安装。该方法结合了散装法的灵活性，节省了大量的网架拼装平台材料及架设工具，同时也大大减少了高空焊接工作量，对工程的施工安全、施工进度以及结构整体稳定控制都较为有利。合理的施工方案直接影响到工程的质量、工期和安全，通过方案比选、工况分析、经济对比等方面，主站房钢结构选用方案四即“分条分块安装法”施工方案。

2.2施工总体安装

根据屋盖结构的施工吊装工艺要求与现场施工条件，该工程采用对称、分片、分块(网架分块单元、钢架分块单元、每榀张弦梁单元)的结构施工方案，先分块、逐次地进行分块单元的吊装，再进行网架嵌补散件的施工;由中间向两侧，由A轴向Q轴进行网架分块单元和每榀张弦梁单元的吊装，站台柱雨棚与主站房部分同时进行。主站房钢屋盖系统的吊装工序为:安装A-C轴临时支撑→B轴树形柱→A/(11-12)轴网架分块单元→A-G轴网架分块单元、C-G轴临时支撑→拆除A-C轴临时支撑→安装G-J轴临时支撑→G-J轴网架分块单元、树形柱、每榀张弦梁单元等，逐区间推进，直至屋面系统吊装完成，最后拆除J-Q轴临时支撑。

3施工过程数值模拟分析

为深入了解网架结构在安装过程中各个构件的响应变化，明确考虑累积效应的结构施工特性，对整体结构进行了考虑累积效应的全过程加载与一次加载的对比分析，以主站房为例，共分23个施工步进行吊装加载，一次加载方式对应于全过程加载分析的各步加载情形，构件应力分布、应力大小、位移、支座反力及其变化等均不相同，前者所得出的最大反力、最大位移比后者的大，后者得出的最大应力比前者大，施工全过程加载分析数据更能切实地反映实际施工过程中各单元的内力分布、变形情况。

4网架施工监测

4.1监测难点

本工程网架为双向正交正放，2个方向的平面桁架垂直交叉且分别与边界方向平行。网架的上、下弦平面为正方形，基本单元为六面体，属于几何可变体系。网架平面尺寸为异形，边缘线大部分呈弧线，网架两个方向的平面桁架受力方向与边界不平行，大约呈45°角。同时，网架单面起坡，支座与柱之间连接处柱顶标高各不相同(9.662～14.948m)，最大跨度为40m，属于中型网架，整体面积为3729m2。本工程监测的难点为:①构件较多(杆件1369种共6988根，螺栓球6种共1875个，焊接球4种共186个)，工期紧;②网架各处标高不一致，施工难度较大，精度要求高;③网架支座形式为万向球铰支座，再加上网架高低不一致，施工过程中网架很容易发生向低处倾斜、滑移的情况;④网架结构为正交正放类网架，网架单元为几何可变体系，安装过程结构控制难度较大。

针对网架结构的特点以及工程监测难点，结合施工过程中实际出现的网架挠度过大、偏移严重情况，为保证网架结构安全，对本工程实施监测。

4.2卸载点与测点布置

网架卸载过程是使屋盖网架缓慢协同空间受力的过程，网架结构发生较大的内力重分布，并逐渐过渡到设计状态，因此，网架卸载工作至关重要，必须针对不同结构和支承情况，确定合理的卸载顺序和正确的卸载措施，以确保网架安全卸载。所以根据工程实际情况以及网架基本的静力结构，选择了31个卸载点，采用整体卸载的卸载思路。。选择变形较大的17个网架结构节点进行变形监测，都位于网架的下弦杆，包括17个测点和3个基准点分别对应其所在区域内所有测点。选取原则为尽量保证测点均匀分布，且中部跨度最大的区域较为密集。

4.3监测方法

对网架的监测采用无线传输的模式。利用GPＲS或CDMA等无线公用网络进行数据传输，完成对传感器数据的采集和监控。仪器采用静力水准仪对屋盖网架下弦节点中心进行挠度监测，该仪器具有良好的稳定性。使用8个位移计监测支座处位移，虽然结构采用的是万向球铰支座，理论上不应该存在支座位移，但鉴于该网架的特殊性，依然对其支座处位移进行监测，监测其是否向低处发生滑移。另外，使用10支弦式应变计监测杆件的应力、应变情况，分别选取3个上弦杆、4个腹杆与3个下弦杆进行监测。

5结束语

总之，在施工过程中，结构的施工顺序与结构所受应力有着密切的关系，对复杂体系的钢结构必须通过施工模拟确定其施工顺序，才能确保施工质量和避免施工过程的安全隐患。

参考文献

[1]陈绍蕃，顾强.钢结构(上册)[M].北京:中国建筑工业出版社，2015.

[2]尹德钮，赵红华.网架质量事故实例及原因分析[J].建筑结构学报2016，19(1):15-23.