鋼管桁架吊裝節點受力有限元分析

黃佩兵

（中國電建集團江西省水電工程局有限公司，南昌330096）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的不斷發展和設計、施工技術水平的提升，各種造型新穎、受力復雜的大跨度鋼結構層出不窮。而鋼管結構的對稱截面形式使得截面慣性矩對各軸相同，有利于單一桿件的穩定性設計，同時截面的閉合提高了抗扭剛度[1]。因此，鋼管桁架因其承載能力大、外形可塑性強和外表美觀等優點受到人們的青睞，在工程中應用越來越廣泛。

在鋼管桁架施工時，為減少高空安裝工作量，降低安全風險，施工單位越來越多地采取整體（分段）吊裝方案。鋼管桁架在整體（分段）吊裝時，吊裝節點的受力形式、大小及復雜程度與原設計大不相同，因此有必要對其進行準確的分析計算。

然而，在工程實踐中，工程技術人員在編制大跨度鋼管桁架吊裝方案時，在場地布置、鋼絲繩受力計算、吊機選型及其工況選擇等方面描述比較詳細，但往往忽視了吊裝狀態下的結構的穩定性計算[2]。且吊裝節點往往構造復雜，其穩定性分析計算過程繁雜，因此經常被技術人員放棄。技術人員僅憑經驗或粗略計算判斷其穩定性是否滿足要求，是否需要采取加固措施。在重量達數十噸甚至上百噸的大跨度鋼管桁架吊裝中，吊裝節點的局部穩定性計算的缺失將給吊裝過程帶來很大的安全隱患。

本文以某鋼管桁架整體吊裝工程為例，介紹吊裝節點受力的有限元分析過程。通過對吊裝節點受力進行有限元分析，全面準確地獲取其各部位的應力值及變形值，從而判斷其局部穩定性是否滿足要求，為是否應采取加固措施提供理論依據。

1 鋼管桁架吊裝特點

某電廠輸煤棧橋工程中，一鋼管桁架吊裝單元主要含2榀鋼管桁架、底部鋼梁和頂部鋼管，圖1所示為單元組成，其總質量約為58 t。鋼管桁架高度4 000 mm，桁架安裝就位后與水平面的夾角為14°，兩榀桁架間距8 900 mm，底部鋼梁和頂部鋼管間距3 000 mm左右。鋼管桁架上、下弦桿為φ351 mm×16 mm鋼管，兩端桿為HW350×350×12×15熱軋H型鋼，腹桿為φ168 mm×10 mm～φ299 mm×16 mm鋼管，底部鋼梁為HM488×300×11×18熱軋H型鋼，頂部水平鋼管為φ273 mm×12 mm，材質均為Q345B。上、下弦桿與腹桿之間采用鉸接方式連接。

圖1 鋼管桁架單元組成

該鋼管桁架單元采用450 t履帶吊吊裝，如圖2所示，4根鋼絲繩兜繞在上弦鋼管節點處，每根鋼絲繩由雙股組成。鋼絲繩長度按鋼管桁架單元就位時的狀態（桁架與水平面的夾角為14°）配置，鋼絲繩兜繞位置及方式如圖3所示。

圖2 鋼管桁架單元吊裝

圖3 鋼管桁架吊裝節點

2 吊裝節點受力分析

為簡化有限元分析模型，首先采用模擬鋼管桁架整體吊裝的方式，在3D3S軟件中建立鋼管桁架單元計算模型，精確獲得吊裝節點的受力情況。吊裝節點受力分析前，先求出鋼管桁架單元的重心，然后在重心的豎直線上設置鉸支座，鉸支座位置實際上就是履帶吊的吊鉤位置。

采用3D3S軟件對鋼管桁架單元進行結構分析，采用一般的線性分析。鋼管桁架吊裝時，由于恒荷載與活荷載（如施工平臺重量）均不會發生變化，因此工況組合采用1.0×恒荷載+1.0×活荷載。通過3D3S軟件分析計算可知，圖3所示的吊裝節點位置鋼絲繩受力最大，該節點處上弦桿上側承受拉力14.5 kN，上弦桿下側承受拉力73.8 kN，斜腹桿承受拉力98.1 kN，豎腹桿承受拉力35.0 kN，頂層鋼管承受壓力-56.7 kN，鋼絲繩承受拉力187.7 kN，詳細情況如圖4所示。由于鋼絲繩兜繞在上弦桿上，對鋼管產生三向分力，且鋼絲繩作用點距節點距離較大，因此對鋼管產生較大的二向彎矩。同時，鋼絲繩將對鋼管徑向（下半圈）產生擠壓，引起鋼管表面的壓應力，而該處鋼管內無加勁板。綜上所述，吊裝節點位置不僅三向受力，而且還承受剪力、壓力、彎矩和局部壓力，受力情況比較復雜，采用傳統的理論計算很難全面、精確獲得節點應力和變形的信息。

圖4 吊裝節點受力

因此，技術人員決定采用有限元分析軟件對吊裝節點進行三維仿真建模并進行受力分析，獲取節點位置的鋼管（板件）的應力和變形數據。以便根據分析結果，有針對性地采取相關措施，防止鋼管桁架單元吊裝過程中鋼絲繩對上弦桿造成損傷和節點失穩等問題的發生，從而保證吊裝過程的安全。

3 有限元分析模型建立

由于已知吊裝節點受力情況，因此可以簡化有限元分析模型，僅建立吊裝節點的有限元分析模型。采用ANSYS Workbench軟件建模，上弦桿為φ351 mm×16 mm鋼管，斜腹桿為φ168mm×10mm鋼管，直腹桿為φ299 mm×16 mm鋼管，頂部水平鋼管為φ273 mm×12 mm，模型中上弦鋼管長度為2 m（節點交匯點兩側各1 m），其他鋼管長度均為1 m。節點板規格和尺寸如圖4所示，材質均為Q345B鋼。本次分析中，抗拉強度選取下限值470 MPa。由于本次主要研究對象為桁架吊裝節點，鋼絲繩不做為分析目標，因此將鋼絲繩材料設置為近剛體以方便計算。建成后的節點三維模型如圖5所示。

圖5 三維模型

由于四面體網格劃分方法可以對任意幾何體劃分四面體網格，在關鍵區域可以使用曲率和近似尺寸功能自動細化網格，也可以使用膨脹細化實體邊界附近的網格[3]，因此以20 mm為基準，軟件進行四面體網格劃分如圖6所示。

圖6 網格劃分

結合ANSYS Workbench的功能，建立如下邊界條件：鋼絲繩邊界按固定考慮，固定端采用線約束，主管兩端邊界均為自由端，所有支管邊界均為自由端[3]。因此，在鋼絲繩與鋼管、連接板件間分別創建綁定接觸，鋼管、連接板件間采用共節點連接。吊裝節點受力如圖4所示，將節點中各向內力均勻施加到相應的鋼管截面網格上，并約束鋼絲繩，如圖7所示。

圖7 模型施加內力

4 有限元分析結果

通過ANSYS Workbench分析可知，遠離吊點側和近吊點側外表面應力均未超過屈服值345 MPa，如圖8所示。鋼絲繩位置兩側對應的鋼管內壁部位發生局部屈服現象，應力最大值達380.72 MPa，如圖9所示。同時，吊裝節點以鋼絲繩部位為軸發生微小轉動后達到穩定狀態，遠端最大位移為7 mm，鋼絲繩加載位置的內、外壁上無明顯位移，其表面變形在0.8 mm以內，如圖10～11所示。

圖8 鋼管外表面應力分布

圖9 鋼管內表面應力分布

圖10 鋼管外表面變形分布

圖11 鋼管內表面變形分布

5 吊裝節點加固

鋼管桁架單元整體吊裝時，由于鋼絲繩兜繞在上弦桿上，因此鋼管下半圈受到鋼絲繩的擠壓作用，造成其兩側對應的鋼管內壁部位發生局部屈服現象。雖然其最大應力值超標不多，變形量也不大，但如果不采取措施對節點進行加固，就可能存在一定的安全風險。

根據鋼管內、外表面應力分布情況，為分散鋼絲繩兩側的鋼管內壁應力，在鋼絲繩兜繞位置（鋼管下半圈）外襯一塊弧形補強板（如厚度12 mm，寬度120 mm），點焊在鋼管上，補強板內弧度與鋼管相吻合，寬度對稱于鋼絲繩布置，遇到節點板時開槽口避開。

6 實施效果

該鋼管桁架采用整體吊裝方案完成安裝，方案編制階段采用有限元分析軟件對吊裝節點的應力、變形等進行了分析計算，并根據計算結果對節點進行了補強加固，吊裝過程中對節點應力和變形進行了監測，結果符合相關規范要求，施工安全得到了有效保證。

7 結束語

在編制大型鋼管桁架吊裝方案時，為保證吊裝過程的安全，工程技術人員不僅應對結構的穩定性進行計算，而且還應對吊裝節點的局部穩定性進行計算。由于對整體結構進行有限元分析工作量較大，因此可以采用上述簡化的節點模型進行有限元分析，首先計算出吊裝節點的各向內力，然后建立吊裝節點的三維模型，利用有限元分析軟件進行計算，全面準確地獲取吊裝節點的內應力和變形情況。當然，也可以通過Solidworks三維繪圖軟件更方便快捷地建立完整的吊裝單元實體模型，然后導入ANSYS Workbench有限元分析軟件對其進行應力、表面變形進行分析[4-5]，從而得到更精確的計算結果。技術人員可以根據節點受力有限元分析結果決定是否需要采取補強加固措施，從技術方面規避大型鋼結構吊裝過程中的安全風險，確保吊裝順利進行。