大跨度鋼屋架吊裝平面外穩定的內力控制方法

□文/曹爽秋

大跨度鋼屋架吊裝平面外穩定的內力控制方法

□文/曹爽秋

大跨度廠房在安裝中最經濟的方法就是單榀提升就位，此方法存在一個容易忽視的問題就是鋼屋架吊裝過程中的平面外穩定性。文章通過工程實例，探討大跨度鋼屋架吊裝平面外穩定的內力控制方法。

大跨度；單榀；桁鋼；屋架；吊裝；平面；外穩定；內力

1　工程概況

空客A330寬體飛機完成和交付中心定制廠房項目中，完成中心廠房主體由工作組機庫、客艙裝飾機庫1&2組成三連跨鋼排架結構。廠房總長度222 m，進深84 m。工作組機庫跨度78 m，客艙裝飾機庫1&2跨度均為72 m，屋架下弦標高21 m。結構布置4排共36根實腹H型鋼柱，單根最大質量約16.4 t。鋼柱在A～B軸H～J軸間柱距為6 m，其余均為12 m，鋼柱柱腳標高-3.25 m，全高26.4 m，各排鋼柱沿縱向設計柱間支撐。

2　吊裝方法

目前大跨度鋼屋架在剛度滿足的情況下采用的是單榀雙機抬吊裝施工，見圖1。

圖1　大跨度鋼屋架吊裝工況

2.1大跨度鋼屋架吊裝井面外穩定支撐剛度的確定

鋼屋架吊裝中，由于每榀鋼屋架沒有任何外力支撐的作用，所以上下弦桿、腹桿互相之間對側向抗彎剛度的影響比較弱，但從安全考慮一般不計這種影響，僅作為安全儲備。實際上鋼屋架在吊裝過程中存在一個確定的面外支撐作用，這就是吊裝使用的鋼絲繩。當鋼絲繩橫向擺動離開原位置為d時，必然產生一水平的恢復力F，見圖2。

圖2　鋼絲繩恢復力

式中：F繩為鋼絲繩內力；l繩為鋼絲繩長度，為定值，所以鋼絲繩對鋼屋架的面外支撐力與水平擺動離d成正比，可將這一作用考慮為剛度為k的彈簧，k

2.2鋼屋架上弦桿吊裝面外穩定的分析

目前對于鋼屋架吊裝中的跨外穩定問題一般考慮上弦吊點之間的桿件作長度作為計算長度，這樣的假設造成如果鋼屋架上弦桿失穩則形成圖3的變形狀態。

圖3　假定成為三段失穩的變形

如考慮兩個吊點對應的間距與中間段距離相等，則所有的支撐點均為反彎點，反彎點彎矩為0，要求鋼絲繩的k至少為，所以要求，通過計算，發現繩力是無法滿足公式的，這就是說明鋼屋架無法形成三段式失穩狀態，鋼絲繩對鋼屋架的側向穩定支撐剛度沒有那么大。

合理的計算方法應根據k的實際數值先轉化為兩段鉸接中間為彈簧支撐的結構，再根據彈性穩定理論計算失穩荷載。

轉換方法見圖4，可直接把兩端設置為原位置不動，則形成兩端鉸接，中間為彈簧的軸心受壓結構。

但需要注意的是，當第一種四彈簧結構與第二種兩端鉸接結構等價時，彈簧剛度第一種需要是第二種的2倍。例如當三段等長軸心桿件受壓屈曲時，第一種結構彈簧剛度為，第二種結構（讀者可自行計算），也就是說當采用兩端鉸接，中間彈簧的軸心受壓桿計算公式時，須將原結構的k除以2，再代入公式方可得到正確解。

3　方法驗證

以72 m、31 t鋼屋架吊裝為例進行說明。

3.1內力分析

內力采用MIDAS/GEN有限元結構分析軟件進行計算，建模及計算結果見圖5。

圖5　72m跨鋼屋架吊裝內力分析

由圖5可知，鋼絲繩內力約為100 kN，鋼絲繩繩長17 m，則當鋼絲繩面外橫向擺動時，k=5.9 kN/m，代入兩端鉸接結構時取K=0.5k。

上弦桿取最小截面為H400mm×400mm×10mm× 18 mm，最大間距l=24 m，根據彈性穩定理論，當彈簧剛度足夠大時，桿件軸壓承載力為

實際彈簧剛度Kl/N0=0.08＜0.5，N=（0.11+0.9Kl/N0）N0=0.2N0=136（kN）。N為實際最大承載力。

上弦最大壓力為53 kN，考慮彎矩等不利影響，乘以1.2的系數為64 kN，應力為0.46＜0.6，滿足吊裝安全要求。

3.2鋼屋架下弦桿吊裝穩定驗算

大跨度鋼屋架下弦桿由于不存在任何側向支撐，所以應在吊點設計時控制下弦桿內力盡量為拉桿，由于施工中很少將屋架端部設為吊點，所以在兩端會存在一定的壓力，這種兩端受壓中間受拉的屋架下弦桿件可以進行穩定分析。

受壓端長度為9 m壓力取大值為19.9 kN，中間受拉長度48 m，拉力平均值為19.4 kN。

對下弦平面完全不設支撐的三段式（壓拉壓）軸心受力桿件的進行驗算η=Nt/Nc=19.7/19.9=0.97。

當0.1≤η≤1時，α=2.7+3（1-η）3=2.7；當1≤η≤2時，α=2.2+0.5（2-η）2；則計算長度系數μ=1-

計算長度μl=38 m，按照鋼結構穩定理論可知，當下弦承受軸心壓力面外失穩時，最大受壓承載力為121 kN（根據GB50017—2003《鋼結構設計規范》計算），下弦吊裝中最大壓力為19.9 kN，考慮彎矩影響乘以1.2，則應力比為0.2＜0.6，滿足要求。

4　總結

1）采用MIDAS/GEN分析軟件或其他結構分析軟件，進行吊點設計。通過吊點的位置設計，使得屋架上弦受壓盡量較小（理想情況為原設計承載力的1/10），同時下弦兩端受壓而中部大部分桿件受拉。

2）獲得鋼屋架吊裝內力軸力數值。

3）計算時，截面取最小截面，上弦計算考慮為多跨等長（本工程為三跨），采用實際最大長度為標準跨長度。

4）應力比的控制，本工程為0.6（考慮現場各種不利影響），當天氣很好時可以采用0.8作為控制值。

5）如發現穩定問題應考慮重新布置吊點調整結構內力并重復以上步驟。

6）當仍然無法保證面外穩定時，必須考慮兩榀桁架同時吊裝或者在面外采用附加小桁架的做法保證結構吊裝穩定。

TU391

C

1008-3197（2016）04-20-02

2016-07-06

曹爽秋/男，1972年出生，高級工程師，天津市建工工程總承包有限公司，從事工程技術管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.007