基于有限元模拟大跨度钢桁架结构吊装方案设计

2017-04-06何章权杨智良

赤峰学院学报·自然科学版 2017年6期

关键词：履带吊格构钢柱

何章权，孔洁，邱磊，杨智良，王强

（安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036）

基于有限元模拟大跨度钢桁架结构吊装方案设计

何章权，孔洁，邱磊，杨智良，王强

（安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036）

本文研究背景为沿海某港口厂房钢结构车间,形式为双肢格构柱、单层四跨双坡钢桁架结构，格构柱最大高度约28.4米，桁架梁及吊车梁最大跨度42米.因厂房跨度较大，柱高度较高，危险性较大，需对吊装方案的安全性进行验算，确保施工安全.本文通过Midas-gen软件分别对其中的双肢格构柱、桁架梁、吊车梁依据所在地的环境条件进行建模计算，分别验算吊装过程中的反力、挠度、关键位置变形，根据我国的吊车额定起重量确定在起吊所需要的吊装的吨位和台数.为该工程顺利实施吊装提供科学依据.

大跨度钢桁架梁；桁架梁；缆风绳；Midas-gen；反力；吊车

1 工程概况及主要施工顺序

1.1 工程概况

本文研究背景为沿海某港口厂房钢结构车间,形式为双肢格构柱、单层四跨双坡钢桁架结构，建筑面积分别为53000㎡，厂房长分别为385m，宽138m，结构跨度为30m+36m+30m+42m四联跨，包括48个柱距，268榀双肢格构钢柱，柱距大多为16m，柱长最高约28.4m.

本工程的重难点主要是28.4米高格构柱、42米大跨度桁架梁中及对应的吊车梁的起吊验算及吊车选型.格构柱拼接约长度29米，单根重量约16吨，基础为杯口基础安装精度要求高，固定后安全临时固定措施难度大.为防止出现以下倾覆、失稳需要对本格构柱采用TEKLA模型出图，确保加工精度；计算工厂加工、现场拼装制作专用胎架，保证加工、拼装尺寸.按照吊装方案要求及防护措施进行安装，就位后拉设揽风绳进行固定.

1.2 主要施工顺序

依据本工程现场实际情况，科学编制施工组织设计，做好吊装准备工作.认真熟悉图纸，做好对所有参与现场吊装工作人员技术交底、安全交底工作.符合场地轴线、标高等实际参数.做到轴线符合设计及规范要求.进场起重机械并应检验合格，并按照规定报审.对组装焊接焊缝探伤合格，桁架组装检验批，报验、验收合格，资料齐全有效.

吊装前，须根据图纸对各个构件尺寸进行校核.现场地基为软土层地基，材料及吊装机械进入吊装区域前需对地基进行处理，需要在大型车辆及机械行走路线铺设钢板，增加地基承压面积.80吨履带吊车工作区域对地基的要求为承载力不小于8T/m2，其余道路要求地基承载力不小于6T/m2.为防止履带吊车转动对地坪桩造成破坏，地坪桩上铺设厚度不小于200mm碎石或道渣，履带吊这些地方需旋转履带时使用路基箱.履带吊直行时可不使用路基箱，直接在碎石或道渣行走.

总体吊装顺序，按照钢结构施工图纸按如下顺序，1、格构柱吊装→2、吊车梁吊装→3、屋面桁架吊装→4支撑系统安装.屋面桁架梁安装时必须将相邻屋面桁架梁用次梁及支撑时连接，形成稳固的空间结构体系.格构柱、吊车梁及屋面桁架安装过程中，部分柱间支撑及附属桁架及时连接，穿插作业施工，以满足工期的要求.

2 格构柱吊装验算及结论

2.1 格构柱拼装验算

格构柱拼装胎具采用不小于H500的型钢或专用胎具，用钢板调节高度.在基础承台上的胎架支点，使用专用胎具，加大底板面积防止胎具沉降，用千斤顶调整错口.

选最自重最大的格构柱进行拼装验算：钢柱长度为28.6m单根重量约为16T；拼装位置:以4-5根钢柱为一组进行拼装，为减少二次水平倒运距离，除第一根钢柱直接在吊装位置拼装外，其它钢柱在基础承台上错排放置两排进行拼装.水平倒运采用两台80履带吊抬吊，两台履带吊在抬吊过程中沿直线行走至吊装位置.格构柱水平倒运抬吊时使用两台80T履带吊，按0.8的安全系数计算，最大吊装重量为64T，能满足吊装要求.其余轴线钢柱重量小，拼装方法与之相同.

为保证现场拼接的精度，在节点位置设置耳板，以用于定位.H型钢现场拼装节点见钢结构结构设计图纸，在加工厂内按设计要求完成，格构柱的拼装节点板应根据图纸求，在加工厂内加工完成.

2.1.1 格构柱吊点设置

格构柱吊点的设置需考虑吊装简便、稳定可靠，还要避免钢构件的变形.本工程钢柱吊点设置在牛腿部位，设置四个吊点，吊点在工厂直接焊接完毕，待吊装完毕后割掉.用300×300国标H型钢做扁担.为了保证吊装平衡，在吊钩下挂设四根足够强度的单绳进行吊运，同时为防止钢柱起吊时在地面拖拉造成地面和格构柱损伤，格构柱下方应垫好枕木.格构柱起吊前绑好爬梯.

由于格构柱较长，为使受力均匀，宜采用多点起吊或者，使用吊装扁担，铁扁担的作用只起到了一个水平刚性杆的作用及竖向力的传递.轴力N=16T×COS80°/cos10°=2.82T，考虑2倍的安全系数取N=5.64T.考虑偏心受压N=56.4KN e=150mm由公式N/An+Mx/(γxWnx)=56.4/120.4+56.4×0.15m/ 1.0×13708=10.86N/mm2＜215N/mm2格构柱构件本身16T拉力的计算，取2倍的安全系数（连接处有劲板）f=320KN/8mm×300mm=133N/mm2＜215N/mm2.

吊耳板采用双面角焊缝hf=10mm，l=300mm，取安全系数为2，焊缝受拉力F=2×16=320KN；V=2×2.82=56.4KN；M=V×150=8.46KN·m分别计算其对应的正应力和切应力.

则其综合应力经计算得，

经计算可判断，吊耳本身能承受215×20× 200=86T的破坏力＞16T.

综上所述扁担符合吊装要求.为了吊耳板的平面外稳定性，吊耳用10mm钢板做侧向劲板.

2.1.2 格构柱、拉索、缆风绳内力分析

恒荷载（DL）+风荷载（W），恒荷载（DL）：结构自重，风荷载取值按50年一遇的基本风压取值为0.55kN/m2，格构柱最高标高28.6m.按GB50135-2006《高耸结构设计规范》计算分析.按照上述进行，使用Midas-gen，按照图纸相应的尺寸进行建模计算，分别计算出起吊阶段，吊至水平结构，倾角为45度，倾角为90度时候，对应的梁的最大应力及挠度，以及相应阶段的索的拉力.其计算结果见下图.

DY位移云图最大值12.9mm

结论：格构柱进行整根吊装，并张拉缆风绳临时固定，施工阶段的最大位移为Dy:12.9mm,最大高度为28.6m，按照《高耸结构设计规范》要求2.9mm＜2860/100=286mm，满足规范要求.杆件应力也同样满足要求.

2.2 起重机选择

吊装重量：16T（钢柱）+2T（绳索、扁担）=18T；起升高度：H=H1+H2+H3=33m+4m+3m=40m；吊车站位：吊车中心到杯型基础中心距离为10米.

回转半径根据10米计算，吊车臂杆长度为40m，查120吨汽车吊性能表，吊车臂杆长度为40.5米、回转半径为10米时，最大吊装重量为21.3T，所以使用120吨汽车吊符合吊装的要求.格构柱吊装采用一台120吨吊车作为主吊，一台80吨履带吊作为辅吊，将格构柱整体吊离地面，待格构柱直立后，撤掉辅吊.最后将格构柱吊至安装位置进行安装作业.重量分配：构件的中心位于柱底向上17.9米处，根据吊点设置两个吊车的吊重比为0.87:0.13，双机抬吊安全系数取0.8，即120T吊车承重为 16/0.8×0.87=17.4T，80T吊车承重为16/0.8×0.13=2.6T.

查120吨汽车吊性能表，吊车臂杆长度为40m米、回转半径为10米时，最大吊装重量为21.3T.根据80T履带吊性能表，回转半径为10米、吊车臂杆长度为43米时，最大吊装重量为17.1T，采用120吨吊车作为主吊，80吨履带吊作为辅吊符合吊装要求.

由于钢柱牛腿上部型钢长细比较大，吊装过程中可能会有一定幅度的摆动，需要采取加固措施。采用Φ15钢丝绳捆绑 4根200mm×200mm× 2000mm道木，使用紧绳器将道木绑紧的办法加固钢柱牛腿根部，以防止钢柱吊装时上部型钢的摆动.格构柱用汽车吊起吊到位并对准杯口基础后，使格构柱缓缓落下.格构柱落到位后，保证柱的两条中心线与基础的相应位置线相对应.格构柱采用单机吊装，以回转法起吊，安装后用两台经纬仪测量柱的基准点和格构柱的垂直度，利用钢楔子及千斤顶对格构柱进行矫正，校正后用厚钢板条将格构柱及杯口基础连接固定，并用缆风绳做临时固定后，再拆除吊索.吊到位置后，利用起重机起重臂回转进行初校，一般钢柱垂直度控制在20mm之内，格构柱固定完成后，起重机方可松钩.

格构柱安装到位，并临时固定后，拉设缆风绳.每根格构柱在纵向和横向方向各拉两根（共四根）缆风绳，缆风绳用2T手拉葫芦拉紧，缆风绳选用Ф17.5mm或Ф15mm钢丝绳.缆风绳拉设高度约为钢柱高度的2/3位置处.在地面的固定主要依靠相邻近位置的基础承台和地梁上，在不能固定到基础承台和地梁的地方，应在地面上设置配重块（以未安装的构件作为配重块）.格构柱横向方向宽度最大为4m(中心距离)，其缆风绳主要用于垂直度的调整，垂直度调整后，杯口内临时固定完成后可以拆除.格构柱纵向缆风在杯口内浇筑混凝土时，能起到稳定作用，缆风绳的解除应在杯口内第一次灌浆后，且混凝土强度达到设计值的70%以上后.

2.3 桁架梁吊装验算及结论

桁架拼接长度较长，长度42米；吊装阶段桁架平面外刚度差，吊装极易产生变形；且受现场条件的限制，吊装难度极大，工厂加工时进行预拼装，现场拼装时有效控制拼装精度，减少拼装过程中构件翻转，造成构件变形.合理制定吊装顺序，用揽风绳控制桁架吊装时构件的稳定；吊装完成后及时连接系杆及水平支撑，形成整体稳定体系.

由于屋面桁架梁组装后最长为42米，为保证吊装屋面桁架梁的稳定性，采用四点捆绑进行吊装.为防止钢丝绳滑动，采用马蹄卡环进行固定.两侧钢丝绳分别连接两个5T倒链，屋面桁架梁吊装前先将桁架梁离地起吊200mm，用倒链调整桁架梁的角度.屋面桁架吊装采用120吨吊车进行吊装，重量最大屋面桁架梁进行计算为9.9T.吊装重量：9.6T+绳索0.3T=9.9T；

起升高度：

2.3.1 钢丝绳选择

采用4根钢丝绳，4点绑扎，两侧钢丝绳连接倒链，起吊时用于调节构件平衡.其中中间两根钢丝绳为主吊钢丝绳，两侧为辅吊钢丝绳.主吊钢丝绳的承重量按总重的70%计算，重量为9.9T×70% ÷2=3.47T，即G=34700N，钢丝绳每两个吊点之间的距离为9.1m，桁架梁到吊钩距离11.7m.可以得出单边钢丝绳长度为11.8m、12.3m.

桁架梁应力图

索单元应力图

经验算：屋面桁架进行整体吊装，经验算最大位移11mm，满足吊装要求.

2.4 吊车梁吊装验算及结论

本工程吊车梁分为3层，截面形式为T型、+字型、H型，安装精度要求高.吊车梁的验算流程同大跨度桁架梁，吊车梁安装前严格控制上道工序，按照图纸及规范要求验收合格后，进行吊车梁安装；吊车梁安装时严格检查，避免构件自身变形差生安装误差.

2.5 支撑系统安装

数量、规格多，现场挑料难度大，工厂加工严格按照图纸要求分类编号，按现场施工进度计划分批进场.材料到场后卸车按照规格型号分类存放，做好标识.安装时对施工人员做详细交底.格构柱、桁架梁拼装焊接工作量大，特别是高空焊接防护难度大.对于本方案，需要合理分段施工，尽量减少现场焊接，尤其是高空焊接，提前分析焊接工作量，合理安排持证焊工；采用气体保护焊，提高焊接速度，焊接过程中设置防护棚杜绝意外安全事故发生.