西院落保護棚36 m大跨鋼箱梁吊點位置分析

馬智剛，曹丙山，蔡澤帥，江棗

（1. 清華大學建筑設計研究院有限公司，北京100084；2. 北京市機械施工集團有限公司，北京100045）

1 引言

太子城遺址公園工程是北京冬奧會相關重點工程，西院落保護棚是本項目的重要建筑物。保護棚采用大跨度鋼框架結構，將遺址進行遮蔽保護，外立面采用雪花格柵表示宮墻飄雪意向，強調了太子城遺址的皇家行宮性質，建筑效果如圖1所示。

本工程結構主體采用鋼框架，框架最大跨度36 m，采用窄截面鋼箱梁，鋼箱梁尺寸為1000 mm×250 mm×30 mm×40 mm。結構施工采用350 t 汽車吊跨外吊裝施工，根據施工組織設計，鋼箱梁分段運輸到拼裝場地，在現場拼裝成36 m 大梁，通過汽車吊將大跨鋼梁吊裝就位。

圖1 西院落保護棚建筑效果圖

分塊吊裝施工是大型鋼結構工程常用的施工作業方式。吊裝施工過程中，構件的受力狀態與構件在結構中正常工作的受力狀態不同，因此，需要對吊裝過程中構件的受力狀態進行驗算，以確保吊裝過程中，構件處于安全狀態。大跨鋼梁吊裝施工時，其吊點數量和位置的不同，將造成構件在吊裝過程中處于不同的受力狀態，如何合理確定吊點位置是需要深入分析的問題[1～3]。

2 計算及分析結果

2.1 計算模型

對本工程36 m 大跨度鋼箱梁進行建模分析，分析軟件采用Midas-Gen。鋼箱梁采用梁單元進行模擬，吊索采用只受拉索單元進行模擬。鋼箱梁截面為1 000 mm×250 mm×30 mm×40 mm，材質為Q355B，吊索截面直徑43 mm，公稱抗拉強度為1550MPa。鋼梁長度36 m，采用2 個吊點的布置方式，吊鉤距離鋼梁垂直距離為10 m。計算模型如圖2 所示，計算中僅考慮自重作用影響。

圖2 計算模型

當吊點位于大跨鋼梁兩端時，鋼梁在吊裝時為兩端簡支梁，由于跨度大，跨中變形和應力將比較大。當兩端吊點離開端點一定距離時，吊裝過程中，鋼梁邊界條件變為中間段支撐，兩端懸臂，梁的跨中變形和應力將逐漸變小，同時懸臂段的變形和應力將逐漸變大。因此，存在一個最優吊點位置使中間段和懸臂段在吊裝過程中同時達到變形和應力基本一致并處于較小狀態[4,5]。

2.2 吊點位置對箱梁變形的影響

以吊點和端部節點的距離L為變量，考慮吊點位置對鋼箱梁變形的影響，計算結果如圖3 所示。

圖3 吊點位置與變形關系曲線

從圖3 看出，當吊點和端部節點逐漸加大距離時，其懸臂段變形逐漸增加，由0 mm 逐漸增大到-35 mm，鋼梁跨中變形逐漸變小，由-72.5 mm 逐漸減小到2 mm。當吊點距離端部節點約8.5 m 時，懸臂段鋼梁變形和跨中變形同時達到變形較小，約-2.5 mm。

2.3 吊點位置對箱梁彎矩和應力的影響

以吊點和端部節點的距離為變量，考慮吊點位置對鋼箱梁彎矩和應力的影響，計算結果如圖4、圖5 所示。

圖4 吊點位置與彎矩關系曲線

從圖4 看出，當吊點和端部節點逐漸加大距離時，其懸臂段負彎矩逐漸增加，由0 kN·m 逐漸加大到-600 kN·m，鋼梁跨中彎矩由正彎矩逐漸變化到負彎矩，其彎矩值由937 kN·m 逐漸變化到-550 kN·m。

圖5 吊點位置與應力關系曲線

從圖5 看出，當吊點和端部節點逐漸加大距離時，其懸臂段應力逐漸增加，鋼梁跨中應力先變小后增大。懸臂段應力由0 MPa 逐漸增大到35.3 MPa，鋼梁跨中應力，由55.1 MPa 逐漸減小到12 MPa，然后開始增大到32 MPa。當吊點距離端部節點約8.5 m 時，懸臂段鋼梁最大應力和跨中應力同時達到較小，約12 MPa。

2.4 吊點位置對吊索應力的影響

以吊點和端部節點的距離為變量，考慮吊點位置對吊索應力的影響，計算結果如圖6 所示。

圖6 吊點位置與吊索應力關系曲線

從圖6 看出，當吊點和端部節點逐漸加大距離時，其吊索應力逐漸減小，由147.7 MPa 逐漸減小到76.3 MPa，吊索最大拉應力允許值為1 550 MPa，吊索受力可以滿足要求。

3 結論

對本工程36 m 大跨度鋼箱梁的吊點位置進行了分析，以吊點和端部節點的距離為變量，考慮吊點位置不同對大跨度鋼箱梁應力、彎矩和變形的影響，經分析發現：

1）當吊點和端部節點逐漸加大距離時，其懸臂段變形逐漸增加，鋼梁跨中變形逐漸變小，當吊點距離端部節點約8.5 m時，懸臂段鋼梁變形和跨中變形同時達到變形較小。

2）當吊點和端部節點逐漸加大距離時，其懸臂段應力逐漸增加，鋼梁跨中應力先變小后增大。當吊點距離端部節點約8.5 m 時，懸臂段鋼梁最大應力和跨中應力同時達到較小。

3）當吊點距離端部節點約8.5 m 時（也即鋼梁長度36 m的1/4.2），鋼箱梁應力和變形基本較小；這與吊裝施工的常規經驗“吊點位置一般取構件的1/3～1/4”是吻合的。