鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
【摘 要】 空間鋼管桁架結構體系由于其優美的外觀、合理的受力特點以及優越的經濟性，成為近年來逐漸流行起來的鋼結構設計形式，但同時也是給工程的具體施工帶來了很大的難度和挑戰，尤其是相貫連接的大跨度空間管桁架等結構形式，就更為復雜和困難，對施工技術的要求也就更高。為適應這種設計的趨勢和要求，計算機技術開始逐步的應用到施工之中，并得到了不斷的發展和更為廣泛的運用，為鋼結構的施工提供了很大的支持和幫助，起到越來越重要作用。興安盟體育工程的鋼結構屋面就是典型的大跨度相貫線連接空間曲面管桁架結構，本文以興安盟體育館為例，從桿件下料、桁架拼裝、桁架安裝和卸載等幾方面，總結和介紹了如CAD設計、CAM制造技術和鋼結構安裝施工仿真技術等計算機技術在這種復雜結構體系的施工過程中的應用。
【關鍵詞】 大跨度；相貫連接；空間曲面管桁架；計算機技術
空間鋼管桁架結構體系是大跨度空間結構中的一個重要成員。因其具有優美的外觀、合理的受力特點以及優越的經濟性，既可以很好地滿足曲面造型等建筑要求，又能夠使結構達到安全、適用、經濟等性能指標，符合了鋼結構的最新設計觀念和大跨空間結構的發展需要，因此得到了廣泛的工程實踐應用，具有強勁的發展勢頭。而管管相貫連接的空間管桁架結構，其連接節點造型平順流暢，簡潔美觀，營造了美學與力學完美結合的設計理念，更是這其中的生力軍。但相貫連接大跨度空間管桁架結構也更為復雜，尤其是曲面造型，施工難度相對較大，在其制作和安裝過程中都較為困難。但與此同時，應運而生的計算機技術和相關軟輔助件也不斷的發展和應用，對鋼結構的施工技術帶來了很大的推動，起到了重要的作用。內蒙古興安盟體育館工程作為典型的大跨度相貫線連接的空間曲面管桁架結構，在施工中大量的運用計算機技術，為施工提供支持和幫助，化解了困難，取得了良好的效果。這其中主要包括CAD設計、CAM制造技術、力學性能計算和鋼結構安裝施工仿真技術等。
1.簡介
興安盟體育館屋面鋼結構為半球面造型，高25.5m，最大跨度130m。由28榀主桁架、7圈環向次桁架和聯系桿件構成。主桁架為倒等邊三角形管式組合斷面，上下弦桿為變曲率的弧形，每榀主桁架在室外地面基礎上和筒狀三層混凝土結構頂部的萬向鉸支座上各有一個支撐，最頂部交匯于中心的橫梁桁架上，單榀最大長度為54.5m。次桁架為不規則倒三角形管式組合斷面，上下弦桿為折線，單榀最大長度為12.1m。桿件連接主要為相貫線連接，中心區域復雜節點使用球節點連接。詳見圖1。根據興安盟體育館的結構形式、現場作業環境和吊裝設備的性能等條件，在拼裝和安裝時采用了“以組合為主，散裝為輔”的分條安裝施工方法。主桁架每榀整體預拼裝，然后分兩段吊裝，在高空對接；次桁架每榀均進行整體預拼裝和吊裝，聯系桿等其余部分為高空散裝。
圖1 興安盟體育館鋼結構屋面建模圖形
2.計算機技術在桿件下料中的應用
大跨度空間管桁架工程的鋼管桿件繁多，規格類型不一，而且是兩管、三管直至多管相貫、多模式相貫的情況較多，人工放樣和下料幾乎不可能，目前都是用先進數控設備來完成， 因此就需要CAD設計與CAM制造技術進行配合，包括整體三維實體建模，桿件和板材的優化下料，鋼管相貫節點和各類異型節點的設計、分析、制造等，從而為鋼結構的施工提供了有力的技術支持和可靠的保證。
2.1工程三維建模
要對大跨度空間管桁架工程的桿進行件下料和加工，首先需要采用Auto CAD軟件和Xsteel軟件根據原設計建立整個結構的三維仿真模型，并根據施工方法的選擇對桁架進行合理分割以及節點設計，將整個主體結構分解成各個單獨的桿件和單元件，并分別進行繪制，從而進行下料程序的編制。
同時，利用以上軟件建立的三維模型還可以自動生成的各種報表和接口文件，可以服務于整個工程，成為整個工程施工的藍本，他可以轉化到其他運算軟件中，從而進行施工過程中其他的技術指標的計算和判斷，如安裝的仿真模擬和力學性能分析等。上圖的圖1其實就是體育館鋼結構桁架的三維建模圖形。
2.2相貫線節點的切割下料
由于相貫線節點的復雜性，因此桿件下料大都使用專門的數控切割機和配套的輔助編程軟件。由于目前國內的相貫線切割機性能各異，其配套軟件的功能實現上也有許多不同，等離子槍的作業性能也有差異。體育館工程選用的是LMGQ/P-A型六軸數控貫線切割機，該設備具有很高的自動化程度和切割精度，其配套軟件具備較高的圖形化自動編程功能，可以直接從三維模型中抽取桿件進行計算和編程，并能精確地進行自動尋跡和刀具軌跡補償，可以實現復雜桿件相貫線截面的精確加工，使生產效率、制作精度得到大幅度提高。管長誤差和最長端與最短端差值的誤差控制在在1.5mm以內，坡口角度偏差≤2°且表面光順過渡，無凹凸緣。桿件的提取編程和切割成型的拼裝效果見圖2和圖3。
圖2 興安盟體育館桿件提取和相貫線節點大樣
圖3 興安盟體育館切割成型的相貫線節點拼裝效果
2.3彎管的彎制
體育館屋面鋼結構主桁架的上下弦桿均為曲線造型，因此需要對原材進行彎制，常規做法有中頻加熱彎管和壓力機冷彎彎管兩種，體育館選用的是后者。計算機技術在完作業中的應用有兩點，一是通過三維模型擬合和提取出每根曲線鋼管在不同分段部位的曲率，從而進行彎管作業。另一方面，根據不同半徑的曲率，利用Auto cad軟件標注出每一根桿件的坐標，并用全站儀在平臺上放樣，彎制完成后將管材放在平臺上進行對樣檢查，以保證曲率吻合。
3.計算機技術在桁架拼裝中的應用
由于興安盟體育館主桁架是長度較大的變曲率弧形空間結構，每根上下弦桿都是由數段曲率不同的桿件拼接而成，因此，就需要在拼裝過程通過計算機技術進行定位控制，從而使拼裝的構件質量達到規范和設計的要求。
由于體育館主桁架三根弦桿的所在平面為平行平面，因此選擇采用臥式組裝方法，并保證上弦桿連線垂直地面，使兩條上弦桿中心線的在水平面投影重合。首先根據CAD確定桁架上下弦桿的中心軸線控制點的坐標，并用全站儀投影放樣在拼裝平臺的定位鋼板上。控制點的數量盡可能加密，至少保證每一段曲率半徑的軸線都有三個控制點，在兩端和中間各設一個，以保證弦桿對接位置和平面定位準確。拼裝的平面布置和吊裝分段見圖4，實際拼裝情況見圖5。
圖4 興安盟體育館 主桁架平面布置和吊裝分段
圖5 興安盟體育館主桁架拼裝實景
4.計算機技術在桁架安裝中的應用
4.1 吊裝模擬和驗算
體育館鋼結構的安裝方式是每榀主桁架分兩段吊裝，兩主桁架間的次桁架分榀分跨吊裝。為保證吊裝過程中的結構安全性，因此對整個吊裝過程用ANSYS計算軟件進行核算。這其中主要做幾方面的工作，下面以主桁架的第一分段為例進行說明。
（1） 在吊裝的過程，首先要確定每個構件的重心位置和吊裝位置也就是吊點的選擇，從而保證吊裝的平穩。計算機軟件可以根據預設設置的材質參數對每個構件的重量進行計算，并對復雜構件的中心位置作出判斷，從而可以確定和驗算吊點位置，保證構造平衡。其模擬和施工情況詳見圖6。
圖6 興安盟體育館主桁架第一分段吊點模擬驗算和實際施工
（2） 要對吊裝過程中構件的撓度變形進行驗算以保證撓度在規范允許的范圍內，否則對吊裝方式和吊點位置進行調整，從而避免長細比較大的桿件撓度過大，產生失穩和永久變形。圖7中，鋼絲繩處豎向變形平均約3mm，則構件最大變形為3.1mm，撓跨比約為3.1/13250=1/4274，吊裝過程中結構變形滿足要求。
圖7 興安盟體育館主桁架第一分段撓度驗算結果
（3） 對吊裝過程中構件各個部位的應力進行驗算，以確保構件中的應力不超過材料允許應力的一定范圍，避免構件破壞，否則也要對吊裝方式和吊點位置進行調整。圖8中，吊裝過程最大應力為19.51MPa，小于結構設計值，應力滿足要求。
圖8 興安盟體育館主桁架第一分段應力驗算結果
4.2 桁架安裝的仿真模擬
復雜的空間鋼桁架工程如要順利進行安裝，最好事先使用計算機進行安裝過程的仿真模擬。仿真模擬有幾個作用，一是對安裝過程中吊車每一勾的工況進行模擬，確定吊車站位、計算吊裝半徑和最大吊裝重量，從而判斷吊裝方案是否正確可行，同時根據吊裝次序的模擬確定吊車行走路線。二是檢驗構件安裝中與其它構件的及支架的碰撞與干涉問題，得出正確的安裝方式，提高施工安裝效率；三是進行施工進度仿真模擬，以直觀實現對于施工進度與質量的管理，反映工程中各工序關系，達到實時模擬的要求。
體育館鋼結構的安裝方式是主桁架分兩段吊裝，兩主桁架間的次桁架分榀分跨吊裝。首先將混凝土結構三層頂部的萬向鉸支座和立柱安裝完成，然后在館內中部設置10個臨時支撐，并將中心部位的兩個扇形桁架構件和橫梁安裝到位，詳見圖9。然后將主桁架逐榀分段安裝，先安裝上半段，一端固定在萬向鉸支座立柱上，一端與扇形構件或橫梁高空連接。再安裝下半段，一端與上半段高空對接，一段與地面基礎上的預埋件連接。詳見圖10。主桁架安裝完成3榀以上時，在對已安裝完成的部分進行測量校核無誤以后，即可安裝跨間的次桁架和聯系桿件，最終全部安裝完成，詳見圖11。
圖9 興安盟體育館臨時支撐、扇形桁架構件和橫梁安裝
圖10 興安盟體育館主桁架上下分段安裝
圖11 主桁架、次桁架和聯系桿全部安裝完成
5.計算機技術在桁架卸載中的應用
鋼結構的卸載是通過對臨時支撐體系的受力釋放，整體結構由支撐安裝受力體系向自承重的永久封閉穩定受力體系轉換。對于大跨度的空間管桁架來說，這是整個施工過程中至關重要的一環，也是十分危險和容易出現問題的過程，因此，在施工前就利用計算機技術要對臨時支撐體系的設計、安裝完成后的力學狀態和卸載后的力學狀態進行分析和驗算，以判斷支撐體系的設置和安裝卸載方案的合理性。這方面的工作，興安盟體育館工程還是利用ANSYS計算軟件完成的。
5.1安裝完成后的力學狀態分析
由于大跨度的空間管桁架結構安裝過程基本都需要設置臨時支撐，在所有構件安裝完成后，臨時支撐還在起著作用，這就改變了原有設計結構的受力狀態，因此就需要事先對此狀態進行分析，以確保在臨時支撐的作用下整個結構還是安全可靠的，方可進行整個鋼桁架工程的安裝作業。興安盟體育館是在桁架中間位置設置了10個臨時支撐，安裝完成后整個結構體系的變形情況見圖12，最大變形為19.6mm，撓跨比約為19.6/50000=1/2551，結構變形滿足要求。
圖12 興安盟體育館臨時支撐作用下結構體系的豎向撓度驗算
體系的應力情況分析見圖13，最大應力為137MPa，小于結構設計值，應力滿足要求。
圖13 臨時支撐作用下結構體系的應力驗算
5.2對卸載后變形的模擬計算和預變形控制
由于大跨度的空間管桁架結構，因其自重和載荷的作用，在卸載后均會產生一定的變形和沉降，因此需要在施工前就進行模擬計算并采取預先處理措施，以最終實現結構安裝完成后的正確幾何位置，常規的方法是根據變形量進行預起拱。體育館鋼桁架卸載后的變形情況見圖14，最大變形為42mm，撓跨比約為42/69000=1/1642，結構變形滿足要求。通過計算結果可以發現，體育館屋面結構在卸載后最大的豎向變形量42mm在桁架的中心部位，因此在臨時支撐設置和桁架的安裝時，項目部對安裝支點標高提高了45mm。鋼結構最終卸載完成后，中心部位標高與設計值最大偏差為12mm。應該說，通過對結構卸載變形的計算和預先控制，整個剛桁架工程的精度控制效果較為良好。
圖14 興安盟體育館 卸載后結構體系的豎向撓度驗算
6.結束語
通過計算機技術在施工過程中大量的合理應用，提供了科學有效的技術支持，興安盟體育館屋面工程這一大跨度相貫連接空間曲面管桁架結構順利的完成了制作和安裝任務，并安全平穩的進行結構卸載，取得了良好的效果。
應該說，復雜的結構設計和計算技術在施工中的應用和發展是相輔相成。一方面，日趨復雜的鋼結構體系的設計對計算機技術的相應功能提出了更高的要求。另一方面，計算機技術的發展和應用也使更為龐大和復雜的空間管桁架結構的實際應用和施工成為現實和可能。兩者之間形成了相互促進和推動的良性循環。可以預見，未來的鋼結構設計形式將更加的復雜和新穎，而施工中計算機技術也必將長足進步和發展，為宏偉藍圖的實現提供更為有力的支持。
參考文獻：
【1】 唐兵傳、丁曉東.大跨度空間管桁架設計與施工的若干問題.《施工技術》.2006年第3期
【2】 何春濤、何應勇、張建. 90m跨鋼管桁架屋蓋卸載施工技術.《建筑施工》.2007年第4期
作者簡介：李建輝（1981-），北京首鋼建設集團有限公司項目主任工，工程師，主要從事土建和鋼結構工程施工技術的研究應用和管理。
聯系地址：北京市石景山區蘋果園路15號北京首鋼建設集團有限公司（100043）
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