基于有限元软件的提升架结构计算分析

2018-09-06胡丹辉

建筑施工 2018年5期

胡丹辉

海盐县城市投资集团有限公司浙江嘉兴 314300

1 工程概况

某工程钢结构网架屋盖总覆盖面积为237 232 m2，屋盖呈自由曲面，最高点标高为41.30 m，平面尺寸约为772 m×248 m（图1）。屋盖采用双向正交正放网架结构，属交叉网架体系。屋盖网架采用圆钢管截面，采用带暗节点板的相贯焊连接节点，与支承钢柱连接采用铰接与刚接二种形式（图2、图3）。

图1 结构平面尺寸示意

图2 支承钢柱刚接形式

图3 支承钢柱铰接形式

网架采用液压同步提升方案进行施工，网架上弦标高约为30 m，提升总质量约5 900 t。网架支承结构采用钢管柱和钢管混凝土柱，周边的支承柱为倾角12°的斜柱，其余支承柱为直立柱，柱截面均为下大上小的圆台形状。

2 提升架计算及有限元分析

本工程提升架的形式主要分为4种[1-4]：第1种为牛腿形式提升架；第2种为格构式提升架，适用于本工程柱距为18 m的斜柱；第3种也是格构式提升架，适用于本工程柱顶铰接的钢柱；第4种为混凝土梁上提升架。有限元计算软件采用通用有限元计算软件SAP 2000以及ANSYS 15.0。

2.1 提升架1

柱顶设置牛腿，提升器放置在牛腿上，形成整体共同受力结构，牛腿为700 mm×400 mm×20 mm×25 mm箱型截面（图4）。使用ANSYS 15.0有限元软件建模计算分析：结构单元类型选为SOLID186；材料属性设定杨氏模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3；约束方式为钢柱底面三向约束；悬挑梁端部放置提升器部位施加竖向荷载1 570 kN，换算压强为17.5 MPa。

模型建成后进行网格划分（图5）。对结构有限元模型施加荷载计算分析，可得提升架结构应力云图和结构位移云图（图6）。不考虑应力集中，提升梁最大应力不超过233 MPa，悬挑牛腿最大下挠为1 cm，满足提升施工要求。

2.2 提升架2

提升架2的形式为格构式，3个短牛腿与格构柱形成下部支撑结构，横梁和悬挑梁形成上部支撑结构（图7）。

采用SAP 2000 V14.1有限元分析软件，选用梁、柱杆件单元建模。计算分析考虑最不利情况，选取的最大提升反力为670 kN。考虑恒荷载和活荷载组合，此外还考虑提升过程中的水平荷载，考虑的荷载组合与提升架1相同。经计算，提升架2最大挠度6 mm，最大应力比0.82（图8），满足提升施工要求。

图4 提升架1结构模型

图5 模型网格划分

图6 提升架1有限元计算结果

图7 提升架2结构模型

图8 提升架2有限元计算结果

2.3 提升架3

提升架3设置在D型柱区域，该柱柱顶为铰接连接（图9）。提升架3设置在钢管混凝土柱顶，柱顶设置牛腿，提升架放置在牛腿上。提升架3中抗拉、抗压立柱采用φ203 mm×14 mm钢管，立柱顶部设置横梁，横梁截面尺寸为300 mm×300 mm×20 mm×20 mm。提升梁放置在顶部横梁上，提升梁采用2个截面尺寸为300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm的H型钢。提升架立柱采用φ114 mm×4 mm作为缀杆，使提升架形成一个整体，具有一定的抗水平荷载能力，以满足提升要求。

图9 提升架3结构模型

采用有限元软件SAP 2000进行建模分析，计算分析考虑最不利情况，选取的最大提升反力为670 kN。考虑恒荷载和活荷载组合，此外还考虑提升过程中的水平荷载，考虑的荷载组合与提升架1相同。经计算，提升工况下提升梁前端最大挠度3 mm，杆件最大应力比0.74（图10），满足提升施工要求。

图10 提升架3有限元计算结果

提升架3牛腿截面为箱型1 080 mm×300 mm×20 mm×20 mm，材质为Q345B钢材。使用ANSYS 15.0有限元软件建模计算分析：结构单元类型为SOLID 186；材料属性设定杨氏模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3；约束方式为钢柱底面三向约束；对提升架柱脚位置施加竖向荷载280 MPa和－50 MPa。对结构有限元模型施加荷载计算分析，可得提升架结构牛腿应力云图和结构位移云图（图11）。不考虑应力集中现象，牛腿最大应力222 MPa，最大变形20 mm，满足提升施工要求。

2.4 提升架4

提升架4设置在混凝土梁上，柱脚设置预埋件，柱顶设置悬挑梁，提升器放置在悬挑梁的端部（图12）。提升架4主要分布在本工程建筑物4层夹层以及4层楼面外围部分，设置在混凝土梁上并且在梁顶设置高约500 mm小短柱，悬挑梁悬挑距离为1 m左右。短柱采用截面尺寸为300 mm×300 mm×20 mm×30mm的箱型结构，悬挑梁采用截面尺寸为600 mm×400 mm×20 mm×25 mm的箱型结构。