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【摘 要】  空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系由于其優(yōu)美的外觀、合理的受力特點(diǎn)以及優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，成為近年來(lái)逐漸流行起來(lái)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，但同時(shí)也是給工程的具體施工帶來(lái)了很大的難度和挑戰(zhàn)，尤其是相貫連接的大跨度空間管桁架等結(jié)構(gòu)形式，就更為復(fù)雜和困難，對(duì)施工技術(shù)的要求也就更高。為適應(yīng)這種設(shè)計(jì)的趨勢(shì)和要求，計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始逐步的應(yīng)用到施工之中，并得到了不斷的發(fā)展和更為廣泛的運(yùn)用，為鋼結(jié)構(gòu)的施工提供了很大的支持和幫助，起到越來(lái)越重要作用。興安盟體育工程的鋼結(jié)構(gòu)屋面就是典型的大跨度相貫線連接空間曲面管桁架結(jié)構(gòu)，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(jié)和介紹了如CAD設(shè)計(jì)、CAM制造技術(shù)和鋼結(jié)構(gòu)安裝施工仿真技術(shù)等計(jì)算機(jī)技術(shù)在這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的施工過(guò)程中的應(yīng)用。
      【關(guān)鍵詞】 大跨度；相貫連接；空間曲面管桁架；計(jì)算機(jī)技術(shù)
      空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系是大跨度空間結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要成員。因其具有優(yōu)美的外觀、合理的受力特點(diǎn)以及優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，既可以很好地滿足曲面造型等建筑要求，又能夠使結(jié)構(gòu)達(dá)到安全、適用、經(jīng)濟(jì)等性能指標(biāo)，符合了鋼結(jié)構(gòu)的最新設(shè)計(jì)觀念和大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展需要，因此得到了廣泛的工程實(shí)踐應(yīng)用，具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。而管管相貫連接的空間管桁架結(jié)構(gòu)，其連接節(jié)點(diǎn)造型平順流暢，簡(jiǎn)潔美觀，營(yíng)造了美學(xué)與力學(xué)完美結(jié)合的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，尤其是曲面造型，施工難度相對(duì)較大，在其制作和安裝過(guò)程中都較為困難。但與此同時(shí)，應(yīng)運(yùn)而生的計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)軟輔助件也不斷的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)帶來(lái)了很大的推動(dòng)，起到了重要的作用。內(nèi)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(jié)構(gòu)，在施工中大量的運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，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(shè)計(jì)、CAM制造技術(shù)、力學(xué)性能計(jì)算和鋼結(jié)構(gòu)安裝施工仿真技術(shù)等。
 
      1.簡(jiǎn)介
      興安盟體育館屋面鋼結(jié)構(gòu)為半球面造型，高25.5m，最大跨度130m。由28榀主桁架、7圈環(huán)向次桁架和聯(lián)系桿件構(gòu)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(chǔ)上和筒狀三層混凝土結(jié)構(gòu)頂部的萬(wàn)向鉸支座上各有一個(gè)支撐，最頂部交匯于中心的橫梁桁架上，單榀最大長(zhǎng)度為54.5m。次桁架為不規(guī)則倒三角形管式組合斷面，上下弦桿為折線，單榀最大長(zhǎng)度為12.1m。桿件連接主要為相貫線連接，中心區(qū)域復(fù)雜節(jié)點(diǎn)使用球節(jié)點(diǎn)連接。詳見(jiàn)圖1。根據(jù)興安盟體育館的結(jié)構(gòu)形式、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境和吊裝設(shè)備的性能等條件，在拼裝和安裝時(shí)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(yù)拼裝，然后分兩段吊裝，在高空對(duì)接；次桁架每榀均進(jìn)行整體預(yù)拼裝和吊裝，聯(lián)系桿等其余部分為高空散裝。
 

圖1  興安盟體育館鋼結(jié)構(gòu)屋面建模圖形
 

2.計(jì)算機(jī)技術(shù)在桿件下料中的應(yīng)用
      大跨度空間管桁架工程的鋼管桿件繁多，規(guī)格類(lèi)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(jìn)數(shù)控設(shè)備來(lái)完成， 因此就需要CAD設(shè)計(jì)與CAM制造技術(shù)進(jìn)行配合，包括整體三維實(shí)體建模，桿件和板材的優(yōu)化下料，鋼管相貫節(jié)點(diǎn)和各類(lèi)異型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、分析、制造等，從而為鋼結(jié)構(gòu)的施工提供了有力的技術(shù)支持和可靠的保證。
      2.1工程三維建模
      要對(duì)大跨度空間管桁架工程的桿進(jìn)行件下料和加工，首先需要采用Auto CAD軟件和Xsteel軟件根據(jù)原設(shè)計(jì)建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的三維仿真模型，并根據(jù)施工方法的選擇對(duì)桁架進(jìn)行合理分割以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，將整個(gè)主體結(jié)構(gòu)分解成各個(gè)單獨(dú)的桿件和單元件，并分別進(jìn)行繪制，從而進(jìn)行下料程序的編制。
      同時(shí)，利用以上軟件建立的三維模型還可以自動(dòng)生成的各種報(bào)表和接口文件，可以服務(wù)于整個(gè)工程，成為整個(gè)工程施工的藍(lán)本，他可以轉(zhuǎn)化到其他運(yùn)算軟件中，從而進(jìn)行施工過(guò)程中其他的技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算和判斷，如安裝的仿真模擬和力學(xué)性能分析等。上圖的圖1其實(shí)就是體育館鋼結(jié)構(gòu)桁架的三維建模圖形。
      2.2相貫線節(jié)點(diǎn)的切割下料
      由于相貫線節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，因此桿件下料大都使用專(zhuān)門(mén)的數(shù)控切割機(jī)和配套的輔助編程軟件。由于目前國(guó)內(nèi)的相貫線切割機(jī)性能各異，其配套軟件的功能實(shí)現(xiàn)上也有許多不同，等離子槍的作業(yè)性能也有差異。體育館工程選用的是LMGQ/P-A型六軸數(shù)控貫線切割機(jī)，該設(shè)備具有很高的自動(dòng)化程度和切割精度，其配套軟件具備較高的圖形化自動(dòng)編程功能，可以直接從三維模型中抽取桿件進(jìn)行計(jì)算和編程，并能精確地進(jìn)行自動(dòng)尋跡和刀具軌跡補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜桿件相貫線截面的精確加工，使生產(chǎn)效率、制作精度得到大幅度提高。管長(zhǎng)誤差和最長(zhǎng)端與最短端差值的誤差控制在在1.5mm以?xún)?nèi)，坡口角度偏差≤2°且表面光順過(guò)渡，無(wú)凹凸緣。桿件的提取編程和切割成型的拼裝效果見(jiàn)圖2和圖3。
 

圖2 興安盟體育館桿件提取和相貫線節(jié)點(diǎn)大樣 


圖3 興安盟體育館切割成型的相貫線節(jié)點(diǎn)拼裝效果

      2.3彎管的彎制
      體育館屋面鋼結(jié)構(gòu)主桁架的上下弦桿均為曲線造型，因此需要對(duì)原材進(jìn)行彎制，常規(guī)做法有中頻加熱彎管和壓力機(jī)冷彎彎管兩種，體育館選用的是后者。計(jì)算機(jī)技術(shù)在完作業(yè)中的應(yīng)用有兩點(diǎn)，一是通過(guò)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(jìn)行彎管作業(yè)。另一方面，根據(jù)不同半徑的曲率，利用Auto cad軟件標(biāo)注出每一根桿件的坐標(biāo)，并用全站儀在平臺(tái)上放樣，彎制完成后將管材放在平臺(tái)上進(jìn)行對(duì)樣檢查，以保證曲率吻合。
      3.計(jì)算機(jī)技術(shù)在桁架拼裝中的應(yīng)用
      由于興安盟體育館主桁架是長(zhǎng)度較大的變曲率弧形空間結(jié)構(gòu)，每根上下弦桿都是由數(shù)段曲率不同的桿件拼接而成，因此，就需要在拼裝過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行定位控制，從而使拼裝的構(gòu)件質(zhì)量達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)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(jù)CAD確定桁架上下弦桿的中心軸線控制點(diǎn)的坐標(biāo)，并用全站儀投影放樣在拼裝平臺(tái)的定位鋼板上?？刂泣c(diǎn)的數(shù)量盡可能加密，至少保證每一段曲率半徑的軸線都有三個(gè)控制點(diǎn)，在兩端和中間各設(shè)一個(gè)，以保證弦桿對(duì)接位置和平面定位準(zhǔn)確。拼裝的平面布置和吊裝分段見(jiàn)圖4，實(shí)際拼裝情況見(jiàn)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(shí)景

      4.計(jì)算機(jī)技術(shù)在桁架安裝中的應(yīng)用
      4.1 吊裝模擬和驗(yàn)算
      體育館鋼結(jié)構(gòu)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(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全性，因此對(duì)整個(gè)吊裝過(guò)程用ANSYS計(jì)算軟件進(jìn)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(jìn)行說(shuō)明。

（1） 在吊裝的過(guò)程，首先要確定每個(gè)構(gòu)件的重心位置和吊裝位置也就是吊點(diǎn)的選擇，從而保證吊裝的平穩(wěn)。計(jì)算機(jī)軟件可以根據(jù)預(yù)設(shè)設(shè)置的材質(zhì)參數(shù)對(duì)每個(gè)構(gòu)件的重量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的中心位置作出判斷，從而可以確定和驗(yàn)算吊點(diǎn)位置，保證構(gòu)造平衡。其模擬和施工情況詳見(jiàn)圖6。
 

圖6  興安盟體育館主桁架第一分段吊點(diǎn)模擬驗(yàn)算和實(shí)際施工
 

（2） 要對(duì)吊裝過(guò)程中構(gòu)件的撓度變形進(jìn)行驗(yàn)算以保證撓度在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，否則對(duì)吊裝方式和吊點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，從而避免長(zhǎng)細(xì)比較大的桿件撓度過(guò)大，產(chǎn)生失穩(wěn)和永久變形。圖7中，鋼絲繩處豎向變形平均約3mm，則構(gòu)件最大變形為3.1mm，撓跨比約為3.1/13250=1/4274，吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形滿足要求。
 

圖7  興安盟體育館主桁架第一分段撓度驗(yàn)算結(jié)果

      （3） 對(duì)吊裝過(guò)程中構(gòu)件各個(gè)部位的應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，以確保構(gòu)件中的應(yīng)力不超過(guò)材料允許應(yīng)力的一定范圍，避免構(gòu)件破壞，否則也要對(duì)吊裝方式和吊點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整。圖8中，吊裝過(guò)程最大應(yīng)力為19.51MPa，小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值，應(yīng)力滿足要求。
 

圖8  興安盟體育館主桁架第一分段應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

      4.2 桁架安裝的仿真模擬
      復(fù)雜的空間鋼桁架工程如要順利進(jìn)行安裝，最好事先使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行安裝過(guò)程的仿真模擬。仿真模擬有幾個(gè)作用，一是對(duì)安裝過(guò)程中吊車(chē)每一勾的工況進(jìn)行模擬，確定吊車(chē)站位、計(jì)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(shí)根據(jù)吊裝次序的模擬確定吊車(chē)行走路線。二是檢驗(yàn)構(gòu)件安裝中與其它構(gòu)件的及支架的碰撞與干涉問(wèn)題，得出正確的安裝方式，提高施工安裝效率；三是進(jìn)行施工進(jìn)度仿真模擬，以直觀實(shí)現(xiàn)對(duì)于施工進(jìn)度與質(zhì)量的管理，反映工程中各工序關(guān)系，達(dá)到實(shí)時(shí)模擬的要求。
      體育館鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)三層頂部的萬(wàn)向鉸支座和立柱安裝完成，然后在館內(nèi)中部設(shè)置10個(gè)臨時(shí)支撐，并將中心部位的兩個(gè)扇形桁架構(gòu)件和橫梁安裝到位，詳見(jiàn)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(wàn)向鉸支座立柱上，一端與扇形構(gòu)件或橫梁高空連接。再安裝下半段，一端與上半段高空對(duì)接，一段與地面基礎(chǔ)上的預(yù)埋件連接。詳見(jiàn)圖10。主桁架安裝完成3榀以上時(shí)，在對(duì)已安裝完成的部分進(jìn)行測(cè)量校核無(wú)誤以后，即可安裝跨間的次桁架和聯(lián)系桿件，最終全部安裝完成，詳見(jiàn)圖11。
 

圖9  興安盟體育館臨時(shí)支撐、扇形桁架構(gòu)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(lián)系桿全部安裝完成

5.計(jì)算機(jī)技術(shù)在桁架卸載中的應(yīng)用
      鋼結(jié)構(gòu)的卸載是通過(guò)對(duì)臨時(shí)支撐體系的受力釋放，整體結(jié)構(gòu)由支撐安裝受力體系向自承重的永久封閉穩(wěn)定受力體系轉(zhuǎn)換。對(duì)于大跨度的空間管桁架來(lái)說(shuō)，這是整個(gè)施工過(guò)程中至關(guān)重要的一環(huán)，也是十分危險(xiǎn)和容易出現(xiàn)問(wèn)題的過(guò)程，因此，在施工前就利用計(jì)算機(jī)技術(shù)要對(duì)臨時(shí)支撐體系的設(shè)計(jì)、安裝完成后的力學(xué)狀態(tài)和卸載后的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析和驗(yàn)算，以判斷支撐體系的設(shè)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(jì)算軟件完成的。
      5.1安裝完成后的力學(xué)狀態(tài)分析
      由于大跨度的空間管桁架結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程基本都需要設(shè)置臨時(shí)支撐，在所有構(gòu)件安裝完成后，臨時(shí)支撐還在起著作用，這就改變了原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，因此就需要事先對(duì)此狀態(tài)進(jìn)行分析，以確保在臨時(shí)支撐的作用下整個(gè)結(jié)構(gòu)還是安全可靠的，方可進(jìn)行整個(gè)鋼桁架工程的安裝作業(yè)。興安盟體育館是在桁架中間位置設(shè)置了10個(gè)臨時(shí)支撐，安裝完成后整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的變形情況見(jiàn)圖12，最大變形為19.6mm，撓跨比約為19.6/50000=1/2551，結(jié)構(gòu)變形滿足要求。
 

圖12  興安盟體育館臨時(shí)支撐作用下結(jié)構(gòu)體系的豎向撓度驗(yàn)算

      體系的應(yīng)力情況分析見(jiàn)圖13，最大應(yīng)力為137MPa，小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值，應(yīng)力滿足要求。
 

圖13  臨時(shí)支撐作用下結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)力驗(yàn)算

      5.2對(duì)卸載后變形的模擬計(jì)算和預(yù)變形控制
      由于大跨度的空間管桁架結(jié)構(gòu)，因其自重和載荷的作用，在卸載后均會(huì)產(chǎn)生一定的變形和沉降，因此需要在施工前就進(jìn)行模擬計(jì)算并采取預(yù)先處理措施，以最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安裝完成后的正確幾何位置，常規(guī)的方法是根據(jù)變形量進(jìn)行預(yù)起拱。體育館鋼桁架卸載后的變形情況見(jiàn)圖14，最大變形為42mm，撓跨比約為42/69000=1/1642，結(jié)構(gòu)變形滿足要求。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，體育館屋面結(jié)構(gòu)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(shí)支撐設(shè)置和桁架的安裝時(shí)，項(xiàng)目部對(duì)安裝支點(diǎn)標(biāo)高提高了45mm。鋼結(jié)構(gòu)最終卸載完成后，中心部位標(biāo)高與設(shè)計(jì)值最大偏差為12mm。應(yīng)該說(shuō)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)卸載變形的計(jì)算和預(yù)先控制，整個(gè)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(jié)構(gòu)體系的豎向撓度驗(yàn)算

      6.結(jié)束語(yǔ)
      通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)在施工過(guò)程中大量的合理應(yīng)用，提供了科學(xué)有效的技術(shù)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(jié)構(gòu)順利的完成了制作和安裝任務(wù)，并安全平穩(wěn)的進(jìn)行結(jié)構(gòu)卸載，取得了良好的效果。
      應(yīng)該說(shuō)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算技術(shù)在施工中的應(yīng)用和發(fā)展是相輔相成。一方面，日趨復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的相應(yīng)功能提出了更高的要求。另一方面，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也使更為龐大和復(fù)雜的空間管桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用和施工成為現(xiàn)實(shí)和可能。兩者之間形成了相互促進(jìn)和推動(dòng)的良性循環(huán)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式將更加的復(fù)雜和新穎，而施工中計(jì)算機(jī)技術(shù)也必將長(zhǎng)足進(jìn)步和發(fā)展，為宏偉藍(lán)圖的實(shí)現(xiàn)提供更為有力的支持。
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      作者簡(jiǎn)介：李建輝（1981-），北京首鋼建設(shè)集團(tuán)有限公司項(xiàng)目主任工，工程師，主要從事土建和鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)的研究應(yīng)用和管理。
      聯(lián)系地址：北京市石景山區(qū)蘋(píng)果園路15號(hào)北京首鋼建設(shè)集團(tuán)有限公司（100043）