基于有限元軟件的提升架結(jié)構(gòu)計算分析

胡丹輝

海鹽縣城市投資集團有限公司 浙江 嘉興 314300

1 工程概況

某工程鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋蓋總覆蓋面積為237 232 m2，屋蓋呈自由曲面，最高點標(biāo)高為41.30 m，平面尺寸約為772 m×248 m（圖1）。屋蓋采用雙向正交正放網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屬交叉網(wǎng)架體系。屋蓋網(wǎng)架采用圓鋼管截面，采用帶暗節(jié)點板的相貫焊連接節(jié)點，與支承鋼柱連接采用鉸接與剛接二種形式（圖2、圖3）。

圖1 結(jié)構(gòu)平面尺寸示意

圖2 支承鋼柱剛接形式

圖3 支承鋼柱鉸接形式

網(wǎng)架采用液壓同步提升方案進行施工，網(wǎng)架上弦標(biāo)高約為30 m，提升總質(zhì)量約5 900 t。網(wǎng)架支承結(jié)構(gòu)采用鋼管柱和鋼管混凝土柱，周邊的支承柱為傾角12°的斜柱，其余支承柱為直立柱，柱截面均為下大上小的圓臺形狀。

2 提升架計算及有限元分析

本工程提升架的形式主要分為4種[1-4]：第1種為牛腿形式提升架；第2種為格構(gòu)式提升架，適用于本工程柱距為18 m的斜柱；第3種也是格構(gòu)式提升架，適用于本工程柱頂鉸接的鋼柱；第4種為混凝土梁上提升架。有限元計算軟件采用通用有限元計算軟件SAP 2000以及ANSYS 15.0。

2.1 提升架1

柱頂設(shè)置牛腿，提升器放置在牛腿上，形成整體共同受力結(jié)構(gòu)，牛腿為700 mm×400 mm×20 mm×25 mm箱型截面（圖4）。使用ANSYS 15.0有限元軟件建模計算分析：結(jié)構(gòu)單元類型選為SOLID186；材料屬性設(shè)定楊氏模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3；約束方式為鋼柱底面三向約束；懸挑梁端部放置提升器部位施加豎向荷載1 570 kN，換算壓強為17.5 MPa。

模型建成后進行網(wǎng)格劃分（圖5）。對結(jié)構(gòu)有限元模型施加荷載計算分析，可得提升架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖和結(jié)構(gòu)位移云圖（圖6）。不考慮應(yīng)力集中，提升梁最大應(yīng)力不超過233 MPa，懸挑牛腿最大下?lián)蠟? cm，滿足提升施工要求。

2.2 提升架2

提升架2的形式為格構(gòu)式，3個短牛腿與格構(gòu)柱形成下部支撐結(jié)構(gòu)，橫梁和懸挑梁形成上部支撐結(jié)構(gòu)（圖7）。

采用SAP 2000 V14.1有限元分析軟件，選用梁、柱桿件單元建模。計算分析考慮最不利情況，選取的最大提升反力為670 kN?？紤]恒荷載和活荷載組合，此外還考慮提升過程中的水平荷載，考慮的荷載組合與提升架1相同。經(jīng)計算，提升架2最大撓度6 mm，最大應(yīng)力比0.82（圖8），滿足提升施工要求。

圖4 提升架1結(jié)構(gòu)模型

圖5 模型網(wǎng)格劃分

圖6 提升架1有限元計算結(jié)果

圖7 提升架2結(jié)構(gòu)模型

圖8 提升架2有限元計算結(jié)果

2.3 提升架3

提升架3設(shè)置在D型柱區(qū)域，該柱柱頂為鉸接連接（圖9）。提升架3設(shè)置在鋼管混凝土柱頂，柱頂設(shè)置牛腿，提升架放置在牛腿上。提升架3中抗拉、抗壓立柱采用φ203 mm×14 mm鋼管，立柱頂部設(shè)置橫梁，橫梁截面尺寸為300 mm×300 mm×20 mm×20 mm。提升梁放置在頂部橫梁上，提升梁采用2個截面尺寸為300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm的H型鋼。提升架立柱采用φ114 mm×4 mm作為綴桿，使提升架形成一個整體，具有一定的抗水平荷載能力，以滿足提升要求。

圖9 提升架3結(jié)構(gòu)模型

采用有限元軟件SAP 2000進行建模分析，計算分析考慮最不利情況，選取的最大提升反力為670 kN。考慮恒荷載和活荷載組合，此外還考慮提升過程中的水平荷載，考慮的荷載組合與提升架1相同。經(jīng)計算，提升工況下提升梁前端最大撓度3 mm，桿件最大應(yīng)力比0.74（圖10），滿足提升施工要求。

圖10 提升架3有限元計算結(jié)果

提升架3牛腿截面為箱型1 080 mm×300 mm×20 mm×20 mm，材質(zhì)為Q345B鋼材。使用ANSYS 15.0有限元軟件建模計算分析：結(jié)構(gòu)單元類型為SOLID 186；材料屬性設(shè)定楊氏模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3；約束方式為鋼柱底面三向約束；對提升架柱腳位置施加豎向荷載280 MPa和－50 MPa。對結(jié)構(gòu)有限元模型施加荷載計算分析，可得提升架結(jié)構(gòu)牛腿應(yīng)力云圖和結(jié)構(gòu)位移云圖（圖11）。不考慮應(yīng)力集中現(xiàn)象，牛腿最大應(yīng)力222 MPa，最大變形20 mm，滿足提升施工要求。

2.4 提升架4

提升架4設(shè)置在混凝土梁上，柱腳設(shè)置預(yù)埋件，柱頂設(shè)置懸挑梁，提升器放置在懸挑梁的端部（圖12）。提升架4主要分布在本工程建筑物4層夾層以及4層樓面外圍部分，設(shè)置在混凝土梁上并且在梁頂設(shè)置高約500 mm小短柱，懸挑梁懸挑距離為1 m左右。短柱采用截面尺寸為300 mm×300 mm×20 mm×30mm的箱型結(jié)構(gòu)，懸挑梁采用截面尺寸為600 mm×400 mm×20 mm×25 mm的箱型結(jié)構(gòu)。

圖11 提升架3牛腿有限元計算結(jié)果

圖12 提升架4結(jié)構(gòu)模型

計算采用有限元分析軟件SAP 2000進行模擬分析，提升反力為250 kN，水平荷載為25 kN。經(jīng)計算，在提升工況下提升梁前端最大撓度為7 mm，提升架桿件最大應(yīng)力比為0.55（圖13），滿足提升施工要求。

圖13 提升架4有限元計算結(jié)果

3 下吊點臨時桿件有限元分析

在網(wǎng)架節(jié)點上增加4根桿件并匯交于一點作為提升下吊點，對下吊點結(jié)構(gòu)采用有限元分析軟件ANSYS 15.0進行計算分析。下吊點結(jié)構(gòu)主要有φ450 mm×20 mm、φ450 mm×25 mm、φ500 mm×25 mm這3種規(guī)格，計算分析如下[5-9]：

1）規(guī)格1：焊接球尺寸為φ450 mm×20 mm，材質(zhì)為Q345，荷載672 kN。不考慮應(yīng)力集中點，經(jīng)有限元計算（圖14），最大應(yīng)力為256 MPa，滿足提升要求。

2）規(guī)格2：焊接球尺寸為φ450 mm×25 mm，材質(zhì)為Q345，荷載為840 kN。不考慮應(yīng)力集中點，經(jīng)計算，最大應(yīng)力為271 MPa，滿足提升要求。

3）規(guī)格3：焊接球尺寸為φ500 mm×25 mm，材質(zhì)為Q345，荷載為1 498 kN。不考慮應(yīng)力集中點，經(jīng)計算，最大應(yīng)力為280 MPa，滿足提升要求。

圖14 規(guī)格1焊接球有限元計算

4 結(jié)語

1）根據(jù)各形式的提升架有限元分析結(jié)果可以得知：提升架1結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在柱頂與牛腿連接處；提升架2結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比出現(xiàn)在頂部橫梁處；提升架3結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比出現(xiàn)在格構(gòu)柱豎向柱上；提升架4結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比出現(xiàn)在靠近懸挑梁處的短柱上。因此在設(shè)計和加工提升架時，這些地方的構(gòu)件與節(jié)點要加強。

2）對3種焊接球上的下吊點臨時桿件結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，驗證了此種提升方法安全可行。根據(jù)有限元分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，焊接球與桿件連接處應(yīng)力較大，實際施工時此處要加強。

3）本文基于SAP 2000和ANSYS有限元軟件，對施工過程中的提升架結(jié)構(gòu)進行了有限元計算分析，為提升架結(jié)構(gòu)承載力和使用功能的可靠性、安全性分析提供了可靠的計算依據(jù)。盡管文中只列出了4種提升架結(jié)構(gòu)形式，但也可以參照此有限元分析方法對其他形式的提升架結(jié)構(gòu)進行有限元分析。