王俊伟1 李晨1 周磊1 贾聪亮1 王刚1
(1. 中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135)
摘要：为以国家会展中心（天津）二期工程大跨度交通连廊为背景，针对结构内置不同位置组合桁架体系进行施工过程受力特性进行研究。介绍了钢桁架结构安装过程中需要考虑的主要因素，对桁架安装不同阶段进行有限元受力分析，总结出桁架结构在不同安装不同种的静力特性和内力分布状态等特点。通过对比分析得出不同施工阶段分析和常规简化分析结果的差异及结构的静力特性，能为类似工程钢桁架结构安装提供借鉴和参考。
关键词：钢结构桁架；施工阶段分析；受力状态
中图分类号：TU398+.9 文献标识码：A 文章编号：
引言
钢桁架结构，因其杆件均以单向受拉或受压为主，通过合理布置的上下弦杆和腹杆，实现了结构的自身平衡。桁架结构布置灵活，应用范围广泛，能在建筑场馆、厂房、火车站等建筑实现公共大空间，一般应用于建筑的屋盖结构。
与其他大跨度钢结构安装方法一致，主要安装方法为高空散拼法、逐条逐片吊装法、滑移法及整体提升等方法。其中逐条逐片吊装法以整片地面拼装、高空吊装作业少、安装精度易控制、安全性高、施工时间短、相对技术成熟等优点广泛应用于工程实践中。大跨度钢桁架结构属于多次超静定结构，受力特性复杂，随着构件不断安装的过程，其受力形态随着安装过程同时在不断的发生变化，是一种动态变化的过程。本文针对济南华侨城文旅综合项目钢桁架不同安装施工阶段进行常规受力简算和施工阶段有限元分析，对比两种计算结果的差异，研究分析其主要的影响因素，将为类似工程的施工分析计算提供借鉴和参考。
1 工程简介
国家会展中心工程二期项目位于天津市津南区咸水沽镇，总建筑面积561877㎡，主要包括16个展厅、交通连廊、中央大厅、东入口大厅及人行天桥。建筑最高层数为3层，最大高度为34米，总用钢量12.8万t，钢材材质Q355B[1]。交通连廊下部结构采用框架结构的形式，在设计机房的区域采用桁架的形式作为屋顶结构，并在一些区域通过悬挑桁架伸入展厅区域，从而形成良好的建筑效果。
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图1 项目效果图
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图2 多类桁架三维模型图
2 施工重难点分析
2.1 施工场地受限
在该区域钢结构桁架施工时，屋面结构已经完成安装，周围钢柱及其他构件安装完毕，现场吊装受限，需要合理安排施工顺序才能完成桁架结构的施工。
2.2 桁架的安装质量要求高
（1）桁架均为与钢柱连接，采用焊接及螺栓连接等多种节点形式，安装质量要求高。
（2）人员施工操作均为高空作业，过程中安全较难保证，需要定制专业的安全防护装置。
（3）施工工况多，安装悬臂桁架时需要进入含有次管沟区域进行施工，需进行基础复核和验算。
3 施工过程有限元受力分析
依据国家现行的标准规范计算方法，在选定钢桁架安装方法后，对不同施工阶段桁架的挠度、反力、杆件内力等进行验算，对不满足吊装要求的部位采取加固措施[2]。本工程属于空间桁架结构，逐条逐片安装过程中需要严格考虑结构变形、杆件应力等对结构及施工的影响，制定相应的措施保证施工安全可靠。
3.1 建立模型及施加荷载
采用有限元软件中的桁架单元进行模型的建立，上下弦杆和腹杆均为桁架单元，钢桁架上弦两端随着吊装的变化不断采用铰接形式。
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图3 钢桁架结构有限元模型
逐条逐片的安装过程主要为恒荷载作用，在结构分析过程中考虑纵横向风荷载的影响。考虑下面4种组合工况：
1）1.2D+1.4WX
2）1.2D+1.4WY
3）1.0D+1.0WX
4）1.0D+1.0WY
D表示恒荷载，为结构自重；WX表示X方向风荷载；WY表示Y方向风荷载。
3.2 桁架安装阶段受力分析
桁架安装常规分析是根据工程的不同安装阶段和步骤，分析结构在安装过程中的受力状态和特性，不考虑施工后期屋面装饰装修部分对结构的影响，虽能反映出结构在施工过程中的受力情况，但是不能反映出桁架结构在其他不确定荷载条件下的受力特性[3]。钢结构桁架要根据其安装过程进行逐步分析和验算，便于了解施工过程中结构的受力状态，能够更好的优化施工方案，并依据验算结果对特殊安装位置设置支撑结构。
结合施工过程，对本多类桁架体系施工分为11个工况，针对其不同安装阶段采用Madis/gen进行有限元分析，各典型阶段的有限元分析结构如图4~7所示。
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图5 工况2位移与应力
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图7 工况11位移与应力
工况1，对分为三段出厂后的周圈钢桁架在施工现场进行地面就位，后采用130汽车吊吊装，用安装螺栓连接稳固后的受力状态；工况2，在周圈钢桁架的基础上对竖向桁架构件进行分别安装，形成稳定的空间结构；工况2~10逐榀安装19.3m长桁架；工况11安装外部悬挑桁架，形成桁架的空间结构，受力更合理；依次类推，逐步完成钢桁架的安装。
4.3 受力分析结果
根据统计表中的数据，在模拟施工安装状况的风荷载及自重荷载下，对钢桁架结构的水平X及Y向位移影响较小，最大分别为0.8mm和0.6mm；而在两种组合荷载下，对竖向的位移影响最大，工况11最大竖向位移为3.6mm，对施工精确安装及结构内力变化有较大的影响；桁架杆件最大应力为17.8MPa。分析结构符合钢结构施工规范及钢材应力的要求。并形成工程施工的指导意见如下。
（1）在钢桁架逐条逐片安装施工过程中需要考虑到的因素有：随着钢构件不断安装连接过程中，桁架结构受力和变形产生叠加效应；而且实际施工中单片吊装中受力与安装后受力情况因吊装位置的不同而受力出现明显变化，要做好分片吊装的加固措施和结构计算。
（2）在控制结构安全和施工质量的视角看，施工模式分析是简化后的结构计算，不能全部反应实际的受力状态，但因其设置的安全系数较大，能有效的保证了施工过程中结构安全。
（3）钢桁架在安装的过程中，对有限元分析计算节点应力集中且超限的部位，对结构实施合理的加固措施，来减小结构的应力集中，实现安装过程中的结构安全，待安装完成及节点完成后拆去加固构件。
（4）大跨度钢桁架逐条逐片安装的施工阶段分析得到的竖向位移比设置预拱度较小，究其原因为后续屋面荷载使结构变形增大。
（5）对不同跨度的钢桁架进行结构分析后，其结构受力形态与本计算基本一直，竖向位移变化最大，应力最大点出现在连接节点部位，可见大跨度桁架整体性能好，受力传力均匀，有限元分析能满足施工要求。
（6）大跨度桁架逐条逐片安装工艺对结构受力产生的影响，采用施工阶段分析更加安全，给施工方案的实施提供了科学依据。
5. 结语
针对国家会展中心工程二期项目交通连廊中多类桁架体系进行施工受力分析和研究，给出了不同施工安装阶段不同的受力状态，总结出桁架结构在不同安装不同种的静力特性和内力分布状态等特点。通过对比分析得出不同施工阶段分析和常规简化分析结果的差异及结构的静力特性，能为类似工程钢桁架结构施工安装提供借鉴和参考。
参考文献
[1]周磊,刘飞等.国家会展中心(天津)工程186m四弦凹形钢桁架分段吊装模拟分析[J].施工技术,2020,49(22):8-10.
[2]张欢.某大跨空间桁架钢结构设计[J].建筑施工,2021,43(01):142-143+147.
[3]金昭成,邢继斌等.大跨度钢桁架结构变轨式累积滑移施工技术[J].施工技术,2020,49(24):69-71.
王俊伟（1989—），男，硕士，工程师。主要从事钢结构施工。