基于有限元模擬大跨度鋼桁架結構吊裝方案設計

何章權，孔 潔，邱 磊，楊智良，王 強

（安徽農業大學 工學院，安徽 合肥 230036）

基于有限元模擬大跨度鋼桁架結構吊裝方案設計

何章權，孔 潔，邱 磊，楊智良，王 強

（安徽農業大學 工學院，安徽 合肥 230036）

本文研究背景為沿海某港口廠房鋼結構車間,形式為雙肢格構柱、單層四跨雙坡鋼桁架結構，格構柱最大高度約28.4米，桁架梁及吊車梁最大跨度42米.因廠房跨度較大，柱高度較高，危險性較大，需對吊裝方案的安全性進行驗算，確保施工安全.本文通過Midas-gen軟件分別對其中的雙肢格構柱、桁架梁、吊車梁依據所在地的環境條件進行建模計算，分別驗算吊裝過程中的反力、撓度、關鍵位置變形，根據我國的吊車額定起重量確定在起吊所需要的吊裝的噸位和臺數.為該工程順利實施吊裝提供科學依據.

大跨度鋼桁架梁；桁架梁；纜風繩；Midas-gen；反力；吊車

1 工程概況及主要施工順序

1.1 工程概況

本文研究背景為沿海某港口廠房鋼結構車間,形式為雙肢格構柱、單層四跨雙坡鋼桁架結構，建筑面積分別為53000㎡，廠房長分別為385m，寬138m，結構跨度為30m+36m+30m+42m四聯跨，包括48個柱距，268榀雙肢格構鋼柱，柱距大多為16m，柱長最高約28.4m.

本工程的重難點主要是28.4米高格構柱、42米大跨度桁架梁中及對應的吊車梁的起吊驗算及吊車選型.格構柱拼接約長度29米，單根重量約16噸，基礎為杯口基礎安裝精度要求高，固定后安全臨時固定措施難度大.為防止出現以下傾覆、失穩需要對本格構柱采用TEKLA模型出圖，確保加工精度；計算工廠加工、現場拼裝制作專用胎架，保證加工、拼裝尺寸.按照吊裝方案要求及防護措施進行安裝，就位后拉設攬風繩進行固定.

1.2 主要施工順序

依據本工程現場實際情況，科學編制施工組織設計，做好吊裝準備工作.認真熟悉圖紙，做好對所有參與現場吊裝工作人員技術交底、安全交底工作.符合場地軸線、標高等實際參數.做到軸線符合設計及規范要求.進場起重機械并應檢驗合格，并按照規定報審.對組裝焊接焊縫探傷合格，桁架組裝檢驗批，報驗、驗收合格，資料齊全有效.

吊裝前，須根據圖紙對各個構件尺寸進行校核.現場地基為軟土層地基，材料及吊裝機械進入吊裝區域前需對地基進行處理，需要在大型車輛及機械行走路線鋪設鋼板，增加地基承壓面積.80噸履帶吊車工作區域對地基的要求為承載力不小于8T/m2，其余道路要求地基承載力不小于6T/m2.為防止履帶吊車轉動對地坪樁造成破壞，地坪樁上鋪設厚度不小于200mm碎石或道渣，履帶吊這些地方需旋轉履帶時使用路基箱.履帶吊直行時可不使用路基箱，直接在碎石或道渣行走.

總體吊裝順序，按照鋼結構施工圖紙按如下順序，1、格構柱吊裝→2、吊車梁吊裝→3、屋面桁架吊裝→4支撐系統安裝.屋面桁架梁安裝時必須將相鄰屋面桁架梁用次梁及支撐時連接，形成穩固的空間結構體系.格構柱、吊車梁及屋面桁架安裝過程中，部分柱間支撐及附屬桁架及時連接，穿插作業施工，以滿足工期的要求.

2 格構柱吊裝驗算及結論

2.1 格構柱拼裝驗算

格構柱拼裝胎具采用不小于H500的型鋼或專用胎具，用鋼板調節高度.在基礎承臺上的胎架支點，使用專用胎具，加大底板面積防止胎具沉降，用千斤頂調整錯口.

選最自重最大的格構柱進行拼裝驗算：鋼柱長度為28.6m單根重量約為16T；拼裝位置:以4-5根鋼柱為一組進行拼裝，為減少二次水平倒運距離，除第一根鋼柱直接在吊裝位置拼裝外，其它鋼柱在基礎承臺上錯排放置兩排進行拼裝.水平倒運采用兩臺80履帶吊抬吊，兩臺履帶吊在抬吊過程中沿直線行走至吊裝位置.格構柱水平倒運抬吊時使用兩臺80T履帶吊，按0.8的安全系數計算，最大吊裝重量為64T，能滿足吊裝要求.其余軸線鋼柱重量小，拼裝方法與之相同.

為保證現場拼接的精度，在節點位置設置耳板，以用于定位.H型鋼現場拼裝節點見鋼結構結構設計圖紙，在加工廠內按設計要求完成，格構柱的拼裝節點板應根據圖紙求，在加工廠內加工完成.

2.1.1 格構柱吊點設置

格構柱吊點的設置需考慮吊裝簡便、穩定可靠，還要避免鋼構件的變形.本工程鋼柱吊點設置在牛腿部位，設置四個吊點，吊點在工廠直接焊接完畢，待吊裝完畢后割掉.用300×300國標H型鋼做扁擔.為了保證吊裝平衡，在吊鉤下掛設四根足夠強度的單繩進行吊運，同時為防止鋼柱起吊時在地面拖拉造成地面和格構柱損傷，格構柱下方應墊好枕木.格構柱起吊前綁好爬梯.

由于格構柱較長，為使受力均勻，宜采用多點起吊或者，使用吊裝扁擔，鐵扁擔的作用只起到了一個水平剛性桿的作用及豎向力的傳遞.軸力N=16T×COS80°/cos10°=2.82T，考慮2倍的安全系數取N=5.64T.考慮偏心受壓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格構柱構件本身16T拉力的計算，取2倍的安全系數（連接處有勁板）f=320KN/8mm×300mm=133N/mm2＜215N/mm2.

吊耳板采用雙面角焊縫hf=10mm，l=300mm，取安全系數為2，焊縫受拉力F=2×16=320KN；V=2×2.82=56.4KN；M=V×150=8.46KN·m分別計算其對應的正應力和切應力.

則其綜合應力經計算得，

經計算可判斷，吊耳本身能承受215×20× 200=86T的破壞力＞16T.

綜上所述扁擔符合吊裝要求.為了吊耳板的平面外穩定性，吊耳用10mm鋼板做側向勁板.

2.1.2 格構柱、拉索、纜風繩內力分析

恒荷載（DL）+風荷載（W），恒荷載（DL）：結構自重，風荷載取值按50年一遇的基本風壓取值為0.55kN/m2，格構柱最高標高28.6m.按GB50135-2006《高聳結構設計規范》計算分析.按照上述進行，使用Midas-gen，按照圖紙相應的尺寸進行建模計算，分別計算出起吊階段，吊至水平結構，傾角為45度，傾角為90度時候，對應的梁的最大應力及撓度，以及相應階段的索的拉力.其計算結果見下圖.

DY位移云圖最大值12.9mm

結論：格構柱進行整根吊裝，并張拉纜風繩臨時固定，施工階段的最大位移為Dy:12.9mm,最大高度為28.6m，按照《高聳結構設計規范》要求2.9mm＜2860/100=286mm，滿足規范要求.桿件應力也同樣滿足要求.

2.2 起重機選擇

吊裝重量：16T（鋼柱）+2T（繩索、扁擔）=18T；起升高度：H=H1+H2+H3=33m+4m+3m=40m；吊車站位：吊車中心到杯型基礎中心距離為10米.

回轉半徑根據10米計算，吊車臂桿長度為40m，查120噸汽車吊性能表，吊車臂桿長度為40.5米、回轉半徑為10米時，最大吊裝重量為21.3T，所以使用120噸汽車吊符合吊裝的要求.格構柱吊裝采用一臺120噸吊車作為主吊，一臺80噸履帶吊作為輔吊，將格構柱整體吊離地面，待格構柱直立后，撤掉輔吊.最后將格構柱吊至安裝位置進行安裝作業.重量分配：構件的中心位于柱底向上17.9米處，根據吊點設置兩個吊車的吊重比為0.87:0.13，雙機抬吊安全系數取0.8，即120T吊車承重為 16/0.8×0.87=17.4T，80T吊車承重為16/0.8×0.13=2.6T.

查120噸汽車吊性能表，吊車臂桿長度為40m米、回轉半徑為10米時，最大吊裝重量為21.3T.根據80T履帶吊性能表，回轉半徑為10米、吊車臂桿長度為43米時，最大吊裝重量為17.1T，采用120噸吊車作為主吊，80噸履帶吊作為輔吊符合吊裝要求.

由于鋼柱牛腿上部型鋼長細比較大，吊裝過程中可能會有一定幅度的擺動，需要采取加固措施。采用Φ15鋼絲繩捆綁 4根200mm×200mm× 2000mm道木，使用緊繩器將道木綁緊的辦法加固鋼柱牛腿根部，以防止鋼柱吊裝時上部型鋼的擺動.格構柱用汽車吊起吊到位并對準杯口基礎后，使格構柱緩緩落下.格構柱落到位后，保證柱的兩條中心線與基礎的相應位置線相對應.格構柱采用單機吊裝，以回轉法起吊，安裝后用兩臺經緯儀測量柱的基準點和格構柱的垂直度，利用鋼楔子及千斤頂對格構柱進行矯正，校正后用厚鋼板條將格構柱及杯口基礎連接固定，并用纜風繩做臨時固定后，再拆除吊索.吊到位置后，利用起重機起重臂回轉進行初校，一般鋼柱垂直度控制在20mm之內，格構柱固定完成后，起重機方可松鉤.

格構柱安裝到位，并臨時固定后，拉設纜風繩.每根格構柱在縱向和橫向方向各拉兩根（共四根）纜風繩，纜風繩用2T手拉葫蘆拉緊，纜風繩選用Ф17.5mm或Ф15mm鋼絲繩.纜風繩拉設高度約為鋼柱高度的2/3位置處.在地面的固定主要依靠相鄰近位置的基礎承臺和地梁上，在不能固定到基礎承臺和地梁的地方，應在地面上設置配重塊（以未安裝的構件作為配重塊）.格構柱橫向方向寬度最大為4m(中心距離)，其纜風繩主要用于垂直度的調整，垂直度調整后，杯口內臨時固定完成后可以拆除.格構柱縱向纜風在杯口內澆筑混凝土時，能起到穩定作用，纜風繩的解除應在杯口內第一次灌漿后，且混凝土強度達到設計值的70%以上后.

2.3 桁架梁吊裝驗算及結論

桁架拼接長度較長，長度42米；吊裝階段桁架平面外剛度差，吊裝極易產生變形；且受現場條件的限制，吊裝難度極大，工廠加工時進行預拼裝，現場拼裝時有效控制拼裝精度，減少拼裝過程中構件翻轉，造成構件變形.合理制定吊裝順序，用攬風繩控制桁架吊裝時構件的穩定；吊裝完成后及時連接系桿及水平支撐，形成整體穩定體系.

由于屋面桁架梁組裝后最長為42米，為保證吊裝屋面桁架梁的穩定性，采用四點捆綁進行吊裝.為防止鋼絲繩滑動，采用馬蹄卡環進行固定.兩側鋼絲繩分別連接兩個5T倒鏈，屋面桁架梁吊裝前先將桁架梁離地起吊200mm，用倒鏈調整桁架梁的角度.屋面桁架吊裝采用120噸吊車進行吊裝，重量最大屋面桁架梁進行計算為9.9T.吊裝重量：9.6T+繩索0.3T=9.9T；

起升高度：

2.3.1 鋼絲繩選擇

采用4根鋼絲繩，4點綁扎，兩側鋼絲繩連接倒鏈，起吊時用于調節構件平衡.其中中間兩根鋼絲繩為主吊鋼絲繩，兩側為輔吊鋼絲繩.主吊鋼絲繩的承重量按總重的70%計算，重量為9.9T×70% ÷2=3.47T，即G=34700N，鋼絲繩每兩個吊點之間的距離為9.1m，桁架梁到吊鉤距離11.7m.可以得出單邊鋼絲繩長度為11.8m、12.3m.

桁架梁應力圖

索單元應力圖

經驗算：屋面桁架進行整體吊裝，經驗算最大位移11mm，滿足吊裝要求.

2.4 吊車梁吊裝驗算及結論

本工程吊車梁分為3層，截面形式為T型、+字型、H型，安裝精度要求高.吊車梁的驗算流程同大跨度桁架梁，吊車梁安裝前嚴格控制上道工序，按照圖紙及規范要求驗收合格后，進行吊車梁安裝；吊車梁安裝時嚴格檢查，避免構件自身變形差生安裝誤差.

2.5 支撐系統安裝

數量、規格多，現場挑料難度大，工廠加工嚴格按照圖紙要求分類編號，按現場施工進度計劃分批進場.材料到場后卸車按照規格型號分類存放，做好標識.安裝時對施工人員做詳細交底.格構柱、桁架梁拼裝焊接工作量大，特別是高空焊接防護難度大.對于本方案，需要合理分段施工，盡量減少現場焊接，尤其是高空焊接，提前分析焊接工作量，合理安排持證焊工；采用氣體保護焊，提高焊接速度，焊接過程中設置防護棚杜絕意外安全事故發生.

3 結論

經過計算后可以得出結論，現場吊裝主要為2臺80噸履帶吊和2臺120噸汽車吊；滿足本工程的吊裝需求.80噸履帶吊作業區域寬度應不小于6m；改工程雙肢格構柱、大跨度桁架梁、大跨度吊車梁的應力、變形均符合相應規范要求，按照雙機抬吊，符合規范要求，可以指導現場起吊施工.

〔1〕GB50009-2012.建筑結構荷載規范[S].

〔2〕JGJ80-1991.建筑施工高處作業安全技術規范[S].

〔3〕GB6067.1-2010.起重機安全規程[S].

〔4〕GB9505-2011.起重機試驗規范和規程[S].

TU393.3

A

1673-260X（2017）03-0062-03

2016-12-21