復雜空間結構屋頂徑向主梁的吊裝技術研究

邢耀安

（中鐵21局集團有限公司第二工程公司,甘肅 蘭州 730000）

0 引言

吊裝技術作為建筑工程最為廣泛高效的豎向運輸方式，不論是高層建筑還是大跨建筑結構施工都有著廣泛的應用，但也存在著一定的局限性，如施工難度大、難以保證施工質量、容易發生安全事故等問題。在這樣的背景下，通過理論分析、結合計算機輔助計算，使得吊裝技術得以發展、應用于施工困難和重大的工程中。

為研究復雜空間結構屋頂徑向主梁的最佳吊裝方法，學者們對其進行了大量的試驗研究，結合工程實例，對鋼結構吊裝技術做了較為詳盡的闡述。范基等[1]研究了1 800 t鋼閘室整體吊裝過程中液壓千斤頂同步提升技術。杜民和楊堃[2]研究了吊裝過程中的吊點數量、吊點位置及網架提升速度的同步性，對吊點數量與位置進行了優化。陳國棟等[3]利用數值分析軟件對吊裝的全過程進行了動態的數值仿真模擬，深入分析了吊裝施工和不同的支撐拆卸過程的結構受力情況。張冰[4]結合最小應變能原理和一種目標函數滿意度的方法實現了大跨度空間結構吊裝施工的吊點優化布置。羅堯治和董石麟[5]在MSTCAD的軟件平臺上新開發了吊裝施工模塊。高樹棟等[6]主要研究了桁架柱單機吊裝技術、雙機抬吊技術、主桁架3機吊裝等施工技術，最后總結了一整套主體結構吊裝的安裝措施。劉學武等[7-8]提出一種可應用于吊裝平衡系統的簡化橢圓計算方法和優化迭代算法，使得各吊索截面內力相等。熊學煒[9]在多體動力學理論的基礎之上，提出了適用于數值仿真模擬的大型鋼結構施工過程的方法策略和實施步驟。陳博文[10]利用MATLAB改進了進化規劃算法，通過后臺調用計算結構的應變能，來尋求最優吊點布局方案。左川等[11]研究了鋼結構桁架分段位置、臨時支撐架布置及鋼結構桁架分段吊裝施工工藝及方法。曹世偉等[12]詳細介紹了桅桿吊裝技術的優點、施工方法及經濟效益。劉松[13]主要研究了建模技術與仿真系統的構建技術，通過在實際工程中搭建了鋼結構虛擬施工平臺的系統框架，實現了其吊裝施工過程的模擬。李偉男[14]通過對施工方案的比對和吊裝過程的模擬驗算，得出不同吊裝方法的各自優缺點和適用范圍。彭儀普和朱鐸義[15]通過對大跨度超重懸挑鋼結構分段吊裝法和整體吊裝法的吊裝效果進行分析，研究結構的根部和支撐桿受力情況。張輝[16]采用滑移法施工，克服了大型施工機械無法一次就位的問題，提高了施工效率。張盛華[17]通過理論分析和數值模擬，對兩種不同的布點方式進行了研究，為鋼梁的吊點選擇提供了理論支撐。潘劍峰等[18]在深基坑+大型鋼結構的施工中，利用大型汽車吊在狹小的深基坑施工場地內開展有序的安裝施工并進行研究。呂永濤[19]通過理論分析得出了網架結構不同的吊點位置對網架結構整體的影響，給出了最佳吊點位置的判別方法。吳亞芳[20]通過精準控制施工過程中各道工序，順利完成了空間曲線造型鋼結構吊裝。

由此可知，對于研究鋼結構吊裝施工技術和施工方法較為豐富，但都僅限于結合具體工程實例所得出的研究成果，難免有其天然的局限性。因此，通過具體工程，針對工程中特種形狀鋼構件的吊裝定位并輔以有限元數值方法，給出了最不利吊裝構件的合理吊裝方法。

1 工程概況

天水市麥積山景區游客服務中心總建筑面積為1.6萬m2，為空間環形鋼架體系，工程鋼結構用鋼量8 600 t，直徑跨度147 m，屋頂結構最高點標高為23.3 m，平均高度17.4 m，鋼柱柱腳插入下部混凝土至基礎頂，整體鋼結構包括內圈環柱體系、外圈環柱體系，如圖1所示。屋頂徑向主梁最大跨度42 m，單根梁重達19 t，且全部為現場吊裝，工程結構體系復雜，施工精度高、難度大。

2 屋頂徑向主梁吊裝技術研究

2.1 吊點位置的計算

主梁一般均為等截面構件，假設其質量均勻分布，基于此，對等截面構架的理論吊點位置進行計算。

（1）單點起吊

單點起吊一般應用于等截面柱，柱子的一端點與地面接觸，在柱身設置一吊點，對應計算模型可簡化為一端懸臂的簡支梁，如圖2所示。

圖2 單點起吊簡圖

構件自身承重為均布荷載，對于最佳吊點的選取，僅需取梁軸線內正負彎矩絕對值相等，即MB=MC，且彎矩達到最小值。

圖2中，假設B點為最大正彎矩處，依據靜力平衡和B點剪力為零，計算得到：

由MB=MC，可得：

求解式（2）得到：

得到單點起吊的吊點位于構件一端的0.293 l處。

（2）雙點起吊

雙點起吊對于吊點的位置確定也是以構件正負彎矩絕對值最小為準則，此時的吊繩一般位于構件中心點的兩側，且對稱。計算時簡化為兩端懸臂的簡支梁，如圖3所示，此時只要確保MA=MB=MC，即可得到最佳吊點位。

圖3 雙點起吊簡圖

從圖中可以看出，C點為最大正彎矩所在處，且x1=x2，根據靜力平衡可得A和B點的反力FA和FB，即可得到吊點處的2個彎矩MA和MB：

又有彎矩MC為：

將式（3）、式（4）代入到MA=MB=MC中，可得：

得到雙點吊裝的吊點理論位置處于距梁端點0.207 l處。

（3）三點起吊

三點起吊一般適用于長度較大且截面較小的構件。對于等截面細長構件的三點吊裝技術，首先選取構件中心處為一吊點，其余兩吊點選取在桿件中心的兩側，三點起吊的計算簡圖如圖4所示。

圖4 三點起吊簡圖

圖4中3個吊點處的彎矩MA、MB和MC分別為：

式中：FA為A點的支座反力。彎矩MD和ME分別為：

式中：FB為B點的支座反力，xAB、xBC分別為AB跨與BC跨內剪力為零的位置至端點O的距離。當對構件進行三點吊裝時，根據式（6）-式（10）進行組合計算，得到當MA=MD=ME=MC時，結構的彎矩極值最小，得到最佳吊點位置為：

且吊點的反力、約束位置均是對稱分布的。

（4）四點起吊

針對于等截面超長構件四點吊裝技術的研究，一般選取的4個吊點位于構件中心兩側，如圖5所示為四點吊裝技術的理論位置和計算簡圖。

圖5 四點起吊簡圖

圖5中，4個吊點處的彎矩MA、MB、MC和MD分別為：

式中：FA和FD分別為A點和D點的支座反力。彎矩ME、MF和MG分別為：

式中：xAB、xBC和xCD為AB、BC和CD跨內剪力為零位置處至端點O的距離。當對構件進行四點吊裝時，根據式（11）-式（17），同時結合靜力學平衡進行組合計算，得到當MA=ME=MB=MC=MG=MD時，結構的彎矩極值最小，求解得到：

此時，吊點的反力、約束位置均是對稱的。

2.2 屋頂徑向主梁的力學性能分析

最不利的單根屋頂徑向主梁安裝標高為16.452～19.683 m，長度為34.3 m。由于該構件的長度大，基于現場真實情況，擬采用三點吊裝和四點吊裝，鋼梁截面為H型鋼，Q345B鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，截面尺寸為900 mm×400 mm×20 mm×25 mm，長度取35 m。吊裝過程使用ANSYS有限元軟件進行仿真模擬，桿件使用beam189梁單元。

（1）撓度

2種吊裝方法下最不利屋頂徑向主梁勻速上吊過程中的橫向變形如圖6所示。

圖6 鋼梁吊裝撓度圖

由圖可知，三點吊裝下，單根最不利屋頂徑向主梁的撓度為0.280 mm；四點吊裝下，單根最不利屋頂徑向主梁的撓度為0.130 mm。兩種方法下，變形都很小，均小于l/400=87.5 mm，滿足《鋼結構設計標準》（GB50017—2017）[21]的要求。

（2）應力

2種吊裝方法下最不利屋頂徑向主梁勻速上吊過程中的應力如圖7所示。

圖7 鋼梁吊裝應力圖

由圖可知，三點吊裝下，單根最不利屋頂徑向主梁的最大應力為4.23 MPa，位于鋼梁上翼緣吊點處；四點吊裝下，單根最不利屋頂徑向主梁的最大應力為2.75 MPa，位于鋼梁上翼緣吊點處。

3 結論

（1）等截面構件單點吊裝的最佳理論吊點在主梁端的0.293 l處；雙點吊裝的最佳理論吊點位置在距離主梁兩端的0.207 l處；三點吊裝的理論位置在主梁的跨中位置和距離兩端的0.138 l處；四點吊裝的最佳理論位置在距離主梁兩端的0.104 l、0.396 l處。

（2）利用有限元軟件對單根最不利屋頂徑向主梁在三點吊裝和四點吊裝進行數值計算，研究得到在兩種吊裝方法下屋頂徑向主梁的橫向撓度均滿足規范要求。

（3）根據數值結果得到主梁的吊點處均會產生應力集中現象，但四點吊裝下主梁的力學性能優于三點吊裝方法，為類似工程提供了一定的技術指導。