大跨度非对称钢桁架吊装施工及有限元受力分析

2021-06-29石春秀杨允宁

兰州工业学院学报 2021年3期

石春秀，杨允宁

(1.宝鸡建安集团股份有限公司，陕西宝鸡 721000；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710000)

0 引言

在大跨径、非对称的钢桁架吊装过程中,其受力方式发生明显改变，但受力计算往往在工程施工中被忽视，留有较大的安全隐患[1].

在大跨度钢桁架吊装过程中，受到整体提升、施工技术(如吊点、稳定性控制等)的影响，往往会造成结构失去平衡而发生倾覆,或因局部受力过大造成应力集中.故将大跨径钢桁架吊装作为一项危大工程，必须经过论证分析方可实施[2].本文通过有限元建模计算在吊装过程中钢桁架的受力状态，确定吊点位置，有效地保证结构在吊装过程中的受力控制，结合科学合理的施工方法保证钢桁架吊装安装施工顺利进行.

1 工程概况

某煤场工程一榀屋面桁架主要结构(如图1所示)参数如下：桁架总长度64 m，上弦和下弦杆各采用圆钢管，截面上弦为ø159 mm×6，下弦为ø203 mm×6、ø203 mm×12，钢桁架材质为Q235B，连接腹杆为圆钢管，截面为ø89 mm×4、ø108 mm×5，材质为Q235B.整体截面为宽1 500 mm、高3 000 mm的倒三角截面.

图1 桁架结构(单位：mm)

钢桁架单榀总重为11.5 t，上下弦中心高度为3 m，右侧上弦标高24 m，左侧上弦标高21 m，弧顶标高29 m.钢桁架构件在工厂加工完成后，运至现场后焊接拼装成整体进行整体吊装，吊装高度达39 m，吊装难度较大.

2 钢桁架吊装方案

本工程钢桁架吊装难点主要在：1)吊点的选择及起吊方式(单吊机起吊、双吊机起吊、吊机的选择)；2)如何保证在起吊过程中不发生失稳；3)如何将桁架两端分别吊至设计位置方便焊接拼装.

2.1 主桁架吊点选取

双吊机起吊时起吊速度必须同步，对吊机操作人员的要求较高.考虑本次钢桁架自重较小，本次采用一机整体吊装法，并安排小型吊机辅助起吊的吊装方案.根据钢桁架设计要求，拟沿钢桁架横向布置4个起吊点,使得钢桁架起吊时均匀受力.采用单吊机起吊时，为保证起吊的稳定，吊点的选择必须保证在起吊时自重作用下两端位移基本为零[2]，故本次吊装需使吊机起吊点尽可能地贴近钢桁架的重心位置，这样吊装后才能使桁架能够准确地到达设计位置.考虑到结构的非对称性，在Midas软件中对钢桁架各节间施加约束，求得每节间的自重，通过各节间的坐标，求出钢桁架的重心位置.吊点的设置如图2所示.

图2 吊点位置(单位：m)

由于本项目桁架跨度大，考虑到此榀桁架质量为11.5 t，总长度为64 m，为超大、超重吊装构件，因此在钢丝绳选用时，依据规范应取安全系数为8[3].因此拟采用1台100 t吊车进行起吊，设置4个吊点，选择对结构整体受力影响较小的位置.因此选择在桁架上弦处，并在腹杆交汇的节点位置，此处对桁架整体影响最小.吊绳拟选用4根ø30 mm(6×37+IWR)钢丝绳(实际尺寸按照现场放样考虑搭接尺寸)，选用GD14.0横销直径46 mm卡环.为保证钢丝绳吊装时的长度与模拟计算时相同，现场测量钢丝绳长度并进行标记.吊点设置在腹杆与2个上弦的节点处，钢丝绳从腹杆与上弦节点处穿过，用卡环将钢丝绳绑扎牢固防止产生滑移，钢丝绳另一端挂入吊钩内，并且确保吊钩安全扣扣牢，防止钢丝绳从吊钩滑落.

2.2 吊装过程稳定性控制

桁架组装好后，根据本钢桁架构件特点并结合现场实际情况，该工程钢桁架吊装采用1台徐工100 t起重机作为主吊承受全部荷载，1台徐工25 t起重机进行辅助安装.钢桁架起吊速度应均匀缓慢，同时将桁架上的缆风绳固定在各个角度，使其在空中不发生摇摆，当由水平状态逐渐倾斜时，应注意吊点处所垫方木及破布有无滑落.

并采用模拟动画技术，明确每榀桁架的摆放位置和100 t吊车的停机位置，以确保桁架的摆放位置在吊车的工作幅度内.就位后采用全站仪测量观测桁架整体标高及变形情况，必要时挂安全绳空中整修.

2.3 吊装施工方案

本钢桁架为一次整体提升施工吊装方案.桁架主弦杆及腹杆在钢结构加工厂提前加工，方便运输，到施工现场严格按工厂设计的拼装过程进行拼装.

由于钢桁架两端设计高程不同，为保证能够将钢桁架吊装至设计位置，在吊装过程中100 t起重机作为主吊承受全部荷载，将钢桁架全部起吊，起吊高度为钢桁架右侧上弦标高至24.5 m，且钢桁架与6轴线基本平行时.100 t起重机缓慢下落，钢桁架右侧端部ø700 mm焊接钢柱缓慢插入下部ø700 mm钢柱的内衬管内.如钢桁架端部ø700 mm焊接钢柱与下部ø700 mm钢柱插入时存在夹角，可用25 t起重机将桁架右侧端部缓慢提升.消除桁架在吊装过程中产生的变形量后，同时100 t起重机缓慢下落，直至桁架右侧ø700 mm钢柱全部插入下部钢柱内衬管.同样将25 t起重机移至桁架南段，用25 t起重机将桁架南部缓慢提升，同时100 t起重机缓慢下落，将钢桁架左侧端部桁架与ø500 mm焊接钢柱缓慢插入下部ø500 mm钢柱的内衬管内；待桁架两端上部钢柱全部插入下部内衬后，检查钢柱的垂直度并校正符合要求后，方可进行焊接加固.在100 t起重机吊钩下落过程，要密切注意吊钩钢丝绳的受力情况，所有吊绳需全部拉伸为受力状态.

就位后利用全站仪测量观测桁架整体标高及变形情况，必要时挂安全绳空中整修.当桁架逐渐落至安装位置时应特别小心，桁架提升应超过安装位置300～500 mm，然后将桁架缓慢降至安装对接位置进行对位，安装对位应与建筑物定位轴线为准.

3 有限元法受力分析

在吊装过程中结构不易直接出现整体破坏，往往在构件节点处出现应力集中，从而导致局部破坏，进而造成整体破坏.钢屋架在使用过程中，其受力状态为上弦受压、下弦受拉.而在吊装过程中受力状态与使用阶段刚好相反，上弦受拉下弦受压，受力方式发生了明显的改变.故需要对吊装状态下的钢桁架进行受力分析，以保证结构安全.

吊装荷载计算考虑构建质量为11.5 t，吊索质量为0.5t，吊钩质量为0.815 t，合计总重为12.815 t.根据规范要求[4]，吊装计算荷载应在构件及配件自重的基础上考虑吊装阶段的动力系数1.1，吊装计算荷载为14.1 t.

3.1 模型建立

有限元模型采用Midas Civil进行建立，考虑上、下弦杆联结刚度大，上、下弦杆采用梁单元建立，其他内部联结杆采用桁架单元建立，起吊钢索采用只受拉单元建立.钢桁架用钢为Q235钢，钢丝绳抗拉强度标准值为1 770 MPa.

吊机起重位置边界条件采用UX、UY、UZ全约束，并考虑在起吊过程中缆风绳对构件的牵引作用，在构件两端建立节点弹性支撑，支撑刚度为10 kN/m.荷载仅考虑动力系数下自重作用，节点编号及有限元模型如图3所示.

图3 构件吊装有限元模型

3.2 计算分析

根据有限元计算结果，得到起吊角度与吊索及腹杆内力关系(见表1)，可知起吊角度越大结构内力减小.且根据规范要求，起吊角度不得大于60°，最终得出吊点设置在15、55、31、63号节点处，应力集中现象最不明显，是最合理的吊点位置.

表1 起吊角度与内力关系

3.2.1 受力分析

根据模型计算的内力，通过轴力情况判断计算结果，吊装过程中联结杆拉力均未超过容许值.钢丝绳最大拉力为46.2 kN，斜腹杆出现最大压力为26.8 kN，最大拉力24.0 kN，故选用4根ø30 mm(6×37+IWR)钢丝绳最为合理，满足钢丝绳的容许拉力.

3.2.2 稳定性分析

在吊装受力过程中，对于大跨度桁架结构是很难根据经验来判断的，必须通过分析计算才能确定.为保证在吊装工程中结构不发生平面失稳，稳定性验算必不可少.桁架必须保证平面内稳定状态下，平面外依旧保持稳定.平面内稳定主要考虑单个构件稳定且不发生破坏，平面外失稳是结构整体失稳，与吊点的分布及多少密不可分，吊点越多越不易发生平面外失稳[5]。

根据轴力计算结果得出在吊装点的下弦出现了最大压力及负弯矩，下弦杆出现最大轴向压力为214.6 kN，对应的弯矩为1.124 kN·m，如图4所示.根据计算结果，下弦杆应力值最大为64.12 MPa，远低于Q235钢容许应力值.

图4 吊装梁单元轴力(单位：kN)

根据弯矩计算结果，根据钢结构设计标准6.1条的规定[6]，平面内稳定分析系数、平面外稳定分析系数均需小于1.则取塑性发展系数γx为1.15.γy为1.2.根据规范方法计算得出x、y轴为b类截面受弯构件，整体稳定系数φx、φy为 0.929.根据规范验证平面内稳定系数为0.315，平面外稳定系数为0.315，均小于1.计算杆件长细比为32.136，满足规范要求不得大于150的规定，稳定性偏为安全，各项指标均满足要求.

3.2.3 位移分析

根据位移计算结果，在荷载工况下，构件空中姿态能够保持稳定，单榀桁架的左端竖向最大位移8.64 cm，右端位移3.81 cm，两端高差4.3 cm，对构件整体拼装影响较小，但安装时需要小型吊机辅助调节位置.根据规范规定的桁架结构吊装过程中，悬挑结构的挠度容许值为l/125，计算结果跨中挠度基本不变所以不再考虑[6].悬挑部分左侧悬挑跨度L=21.94 m，右侧悬挑跨度L=15.93 m.故左侧悬挑挠度容许值为17.55 cm，右侧悬挑挠度容许值为12.74 cm.因此吊装时的挠度满足规范限值的要求.

根据现场实际吊装监测结果，吊装完成后两端高差4.8 cm，位移与有限元结果相差较小，符合实际位移情况.