大跨度正交斜放空间管桁架结构提升施工精度控制研究及应用

潇河国际会展中心中间组团项目屋盖结构是最为复杂的部分,属于非连续大跨度正交斜放空间管桁架结构,分四个角顶、十字交通走廊玻璃顶、中心圆顶三部分,每个角顶钢桁架投影面积为 6575 m ² ,跨度为 63 m,角顶斜向桁架最大跨度达 88.7 m,为四边不等高造型,整个桁架节点复杂,存在钢管桁架(单曲弧度、双曲弧度)、变径、焊接球、箱形悬挑等多种形式,且高空作业量大、施工周期短、各专业交叉作业频繁。为有效降低施工难度和安全风险,保证施工质量及进度,采用“楼面(地面)拼装,分块整体累计提升+局部区域楼面原位高空直接散装”相结合的方法进行安装。为实现对大跨度正交斜放空间管桁架结构提升施工精度的控制,首先对地面拼装前预拱度设置进行研究,采用 SAP 2000 软件对分区错层提升、合拢、卸载进行模拟分析,精准计算提升过程变形值,同时采用非线性有限元模拟软件 simufact welding 对每榀桁架焊接变形进行分析,通过提升变形和焊接变形数据考虑预拱度;其次在地面拼装过程中采用三维激光扫描技术进行虚拟预拼装实现过程精度控制;最后在提升过程中对提升同步性进行实时控制,实现从地面拼装焊接及提升过程控制精度,屋盖结构的施工精度达到了毫米级,有效地避免了施工设计要求。

潇河国际会展中心中间组团项目的屋盖结构中部下凹,四角上翘且四边不等高,属于一种凹曲屋面、非连续大跨度正交斜放空间管桁架结构,四个角顶中,每个角顶钢桁架投影面积为 6575 m ² ,角顶斜向桁架最大跨度达 88.7 m,见图 1。根据施工特点,本项目采用了 “楼面(地面)拼装、分块整体累计提升+局部区域楼面原位高空直接散装” 相结合的方法。为保证桁架施工精度,实现设计建筑结构位形,首先通过施工过程和焊接顺序模拟分析,合理设计杆件预起拱值,在楼面(地面)拼装时控制精度。其次通过数字化三维坐标控制预拼装技术,全面分析复杂空间管桁架结构几何尺寸、节点位形,拼装过程中进一步控制桁架精度,最后在提升过程中进行实时动态监测,最终保证桁架整体安装精度。

图 1 屋盖轴侧图

本项目空间管桁架采用 “楼面(地面)拼装、分块整体累计提升+局部区域楼面原位高空直接散装” 施工方法,需要对大跨度桁架提升、合拢、卸载等各阶段进行仿真模拟分析。采用有限元分析软件 SAP 2000 对各阶段提升变形值进行模拟分析,了解桁架变形最大值,同时通过非线性有限元软件simufact welding 对每榀桁架焊接进行模拟优化分析,明确桁架的焊接变形值。最后将提升模拟和焊接模拟的变形值叠加后进行预起拱,保证整个屋盖结构的精度。

2.1 屋盖提升模拟分析

通过 SAP 2000 建立计算模型并进行桁架提升过程中各阶段模拟分析,即对空间管桁架分区提升、高空嵌补、悬挑段安装、卸载等各阶段仿真模拟分析,明确整个提升过程存在多次提升的变形及叠加效应,从而可在事前进行控制,保证拼装精度。首先需要进行大跨度正交斜放空间管桁架结构提升过程的模拟分析,见图 2;其次进行嵌补段安装及与悬挑段连成整体的模拟分析,见图 3;最后进行屋盖整体卸载并拆除吊点临时杆件的模拟分析,见图 4。根据各阶段模拟分析得出本区空间管桁架结构提升过程变形量值,见图 5,采用有限元分析参数、边界条件设置及结果分析见表 1。

图 2 提升过程的模拟变形分析 mm

图 3 悬挑段安装的模拟变形分析 mm

图 4 屋盖整体卸载并拆除临时杆件的变形分析 mm

图 5 空间管桁架结构提升过程的变形量值  mm

表 1 有限元分析参数及边界条件设置

2.2 桁架焊接模拟分析

为了对焊接变形进行预测,掌握焊接变形规律,需要对焊接温度场与应力、应变场进行准确计算。针对 CO ₂ 气体保护焊焊接每榀桁架的焊接变形,基于弹塑性有限元法进行分析,应用专用非线性有限元模拟软件 simufact welding,对结构件的温度场与变形进行模拟分析。针对大跨度空间每榀管桁架的焊接变形,采取从中间向两边对称焊接的形式进行模拟分析。首先在软件 UG 中建立三维模型,并进行几何处理,导入到前处理软件 Hyper Mesh中再次进行几何清理并进行网格划分,见图 6,然后选择焊接热源模型,依据不同焊接结构、材料规格、板件厚度和焊接方法等来选择不同的热源模型,根据本文研究方案中焊缝的对称性,确定采用双椭圆模型(图 7)进行热源加载,所得仿真结果与实测结果十分接近,见图 8。最后应用焊接专用非线性有限元模拟软件 simufact. welding 进行数值模拟,采用焊接电流 280 A、焊接电压 30 V、焊接速度210 mm/min 的工艺参数,相关焊接变形结果(图 9)为桁架预拼装提供了焊接变形数据。

图 6 空间管桁架结构的焊接模型网格

图 7 双椭球热源模型

图 8 双椭球热源模拟焊接和实际焊接宏观对比分析   ℃

图 9 空间管桁架结构的焊接变形量值 mm

2.3 桁架预起拱

在桁架生产过程中,首先采用三维设计模型确定每一根杆件的三维坐标值,然后通过屋盖提升模拟及焊接模拟变形分析共同确定施工过程变形值,据此对确定的三维设计模型进行设置预拱度,即对每个杆件对应的变形值在三维设计模型中更改三维坐标用来反变形起拱,见图 10,从而形成最终的施工三维模型。采用最终施工三维模型尺寸对每个杆件进行加工,通过最终施工三维模型确定预拼装胎架的三维坐标点(图 11),桁架预起拱精度不仅从杆件生产过程开始控制,而且桁架拼装胎架精度进行控制,通过施工三维模型尺寸确定预拼装胎架三维坐标点进一步保证空间管桁架施工精度。

图 10 三维建模调整桁架结构预拱度

图 11 设置拼装胎架

为了保证拼装精度控制,对桁架杆件进行前期精度控制。杆件运输至现场后,采用三维激光扫描技术对进场杆件进行全数三维激光扫描,形成杆件点云模型构件库,见图 12。按照现场施工顺序进行全数模拟预拼装,形成点云数据模型,拼装结果与上述施工三维模型进行拟合并进行智能对比,可得到各杆件的偏差值,见图 13。对存在偏差杆件在正式拼装前进行误差校正。对存在定位偏差、变形过大的构件及时采取补救措施,确保实体结构拼装精度。

图 12 现场三维激光扫描

图 13 总模型偏差值的 3D 展示

提升施工技术的重要一环是提升过程的同步性控制。实际施工中,存在许多不可控的因素,往往很难做到各提升点完全同步,甚至出现部分提升点失效的极端情况,造成较大的施工安全隐患。根据JGT 7—2010《空间网格结构技术规程》的相关规定,采用穿心式液压千斤顶作为提升设备时,相邻两个提升点允许高差值为 L /250 ( L 为两提升点的水平距离),且不应大于 25 mm。因此在提升过程中通过全站仪在四个方位角设站观测,实现坐标统一后,测量结果直接匹配设计坐标,实时显示位移偏差,进行提升过程动态监测,见图 14。当什么超过偏差时及时通过计算机控制液压提升设备进行局部调整,保证整个提升过程精度的准确性,确保整个提升过程安全可控。

图 14 提升过程动态精度监测

本项目采用 “楼面(地面) 拼装、分块整体累计提升+局部区域楼面原位高空直接散装” 施工方法,利用 SAP2000 对各阶段提升变形值进行模拟分析和非线性有限元模拟软件 simufact welding 焊接变形分析,确定了大跨度正交斜放空间管桁架结构空间预拱度数值。然后采用三维建模提前设定预拱度后,确定最终的三维施工模型。拼装过程采用三维激光扫描技术,拼装前进行全区域杆件扫描,变形过大的构件及时采取补救措施,使杆件安装的尺寸精度达到了毫米级,有效地避免漏检带来的施工作业返工。最后在提升过程进行动态的提升位移精度控制,保证提升过程精确性,实现了对大跨度正交斜放空间管桁架结构施工精度全过程控制。最终,通过测量,本次空间管桁架屋盖结构挠度与设计原有建筑位形相差 6 mm,三维扫描模型与设计模型 z 向变形差满足要求,成功实现了施工位形控制与变形协调。