大型鋼桁架臨時支撐體系的數值模擬研究

徐福賓 肖 強 陳小良 彭 丹

(1.軍事醫學科學院院務部，北京 100850； 2.中國人民解放軍總醫院第一附屬醫院管理處，北京 100048)

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大型鋼桁架臨時支撐體系的數值模擬研究

徐福賓1肖 強1陳小良1彭 丹2

(1.軍事醫學科學院院務部，北京 100850； 2.中國人民解放軍總醫院第一附屬醫院管理處，北京 100048)

采用美國大型有限元計算軟件SAP2000，建立三維模型，對某博物館工程大型鋼桁架施工過程中的臨時支撐體系進行了數值模擬分析，計算了幾種不同荷載組合工況，得到了支撐架的應力、應變分布規律。

鋼桁架，臨時支撐體系，彈性桿件單元，數值模擬

0 引言

近年來鋼結構建筑迅猛發展，越來越多的建筑采用鋼結構形式。由于鋼桁架具有節點形式簡單、剛度大、幾何特性好、抗壓和抗扭性能好、施工簡單、節省材料、有利于防銹與清潔維護以及可以應用于跨度和載荷都比較大的建筑等優點，在大跨度建筑如博物館、體育館、人防指揮所等被廣泛采用，但是鋼桁架一般不能一次吊裝完成，需要臨時支撐以便拼裝。目前，國內對鋼桁架臨時支撐體系研究的不多，主要還停留在對施工方案是否合理、如何安裝吊裝以及如何焊接等施工技術和施工工藝上，對鋼桁架臨時支撐體系的受力分析研究少，理論嚴重滯后于實際應用。

唐永杰等對超重大型鋼桁架進行了研究，主要就超重、大型鋼桁架施工工藝進行了分析和總結；

柏慶豐基于三維有限單元法建立了仿真分析模型，計算了分層搭設臨時支撐的安裝方法對應工序的結構反應；

張衛東對新沂河特大橋主橋臨時支撐體系進行了探討，闡述了臨時支撐體系的使用原則和程序；

劉志強結合工程實際對鋼結構屋面滑移施工中的臨時支撐進行了簡要分析，并利用Midas Gen軟件進行了驗算，提出了臨時支撐設置要求；

褚世仙等結合實際工程在體育館鋼桁架施工期間，對臨時支撐體系進行了監測，提出了臨時支撐體系安裝要求；

冉孟安以人防指揮大廳為例，對大型鋼桁架支撐系統的建造、安裝、拆除和加固等進行了闡述，提出了一些施工時應注意的要點和需采取的措施。

以上研究著重于施工技術和施工方案等施工環節，對大型鋼桁架支撐體系本身的受力研究不足。為此，本文采用SAP2000建立三維模型，對某博物館大型鋼桁架支撐體系的受力情況進行數值模擬分析研究。

1 工程概況

某工程為一博物館，地下3層，地上8層，在2層頂部空間設置大跨度轉換桁架，如圖1所示，在軸,軸，軸,軸處分別布置有主桁架，共四榀，跨度39.6 m，主桁架上弦頂面標高為11.27 m、下弦底面標高為6.27 m，桁架上弦頂部與下弦底部高度為5 m。主桁架下弦桿間通過水平支撐和系桿連接，主桁架上弦桿間通過H型鋼梁連接。跨度達39.6 m的每榀主桁架重達160多噸。在⑤軸及⑥軸處即主桁架跨度三等分處設置縱向次桁架，共兩榀。

2 模型建立及支撐反力計算

計算軟件采用美國Computers And Structures公司研制開發的大型有限元計算程序SAP2000(V14版)，該軟件是集成化的通用結構分析與設計軟件，具有完善、直觀和靈活的界面，包括全部Plus的功能，再加上動力非線性時程反應分析和阻尼構材、減震器、Gap和Hook構材等材料特性，它主要適用于分析帶有局部非線性的復雜結構。計算模型采用空間三維實體模型，以鋼結構相關規范、吊裝規程等資料為依據。

為了進行支撐體系的受力計算和分析，首先必須計算單榀桁架自重作用下支撐體系總的受力大小，然后提取支座反力施加到支撐架上。在建模時，桁架兩端框架柱采用固定支座進行模擬、分段處支撐架采用鉸支座進行模擬。計算過程中考慮了起吊安裝過程中的輕微的晃動、起吊過程的加速等，將吊重乘以1.1的安全系數來考慮這些不利因素的影響。鋼桁架模型桿件選用兩節點、六自由度的Frame單元模擬，按彈性桿件單元考慮，該單元可以考慮拉(壓)、彎、剪、扭四種內力的共同作用。經SAP2000計算可知，如圖2所示，在桁架下弦分段處、支撐架支撐位置處所受的反力最大，為479.5 kN。

3 支撐架數值模擬分析

3.1 支撐架模型建立

支撐架材料采用Q235鋼，屈服強度fy=235 N/mm2。上部圓管支撐架每個標準節尺寸為1.5 m×1.5 m×3 m；下部圓管支撐架每個標準節尺寸為1.5 m×1.5 m×2 m；其中立桿采用φ168×8，腹桿φ89×5；節點采用法蘭連接，連接法蘭板板厚16 mm，其他節點板厚12 mm，頂部斜撐采用H型鋼制作，型號為H600×300×12×16。支撐架底部與地面鉸接，桿件之間的連接也為鉸接，支撐架計算模型和三維模型如圖3所示。

為有效增加-8.550 m樓層面的受荷面積，減小樓板面混凝土的承壓力，在-8.550 m樓層面上設置H型鋼轉換梁結構，即上部圓管支撐架的底座，通過H型轉換梁結構，將上下兩部分支撐架連接固定成一個整體。轉換鋼梁下部設置四個短柱與-8.600 m標高樓層預埋板焊接固定。通過轉換鋼梁上翼緣與上部圓管截面支撐架連接固定，下部與樓層預埋板焊接固定，形成一個整體，轉換鋼梁底部與樓層面的間隙采用薄鐵塊、鋼板等填塞充實。如圖4所示，轉換梁采用截面為H300×200×8×10的H型鋼兩兩焊接而成。

3.2 支撐架受力分析

支撐架設計參數：支撐架最大高度為24.57 m，根據反力計算得出承受豎向力最大值為47.95 t(479.5 kN)；根據施工經驗考慮施工活荷載1 t(10 kN)；考慮水平推力1 t(10 kN)。支撐架驗算及設計荷載工況及組合如下：DEAD：恒荷載(豎向479.5 kN、水平10 kN)，LIVE：活荷載(豎向10 kN)。荷載組合工況：DSTL1：1.35DEAD+0.98LIVE；DSTL2：1.2DEAD+1.4LIVE；DSTL3：1.0DEAD+1.4LIVE。

運用SAP2000(V14版)對三種荷載組合情況進行模擬計算，可知在荷載工況DSTL1作用下對支撐架最不利。

在荷載工況DSTL1作用下支撐架桿件的最大壓力為292.437 kN，位于下部圓管支撐架的最下端立桿上。

在荷載工況DSTL1作用下支撐架桿件的最大彎矩為173.7 kN·m，位于支撐架頂部的H型鋼交叉撐上。

在荷載工況DSTL1作用下支撐架最大水平位移為39 mm，最大豎向位移為3.59 mm。

在荷載工況DSTL1作用下支撐架各桿件最大應力比為0.415，位于支撐架最下端立桿上，遠小于桿件應力比控制值0.95的要求，可知桿件強度滿足規范要求。

按照GB 50017—2003鋼結構設計規范的相關規定計算得結構的應力比柱狀圖如圖5所示，從柱狀圖和計算結果可以分析得出：支撐架最大應力比發生在編號106號桿件，其值為0.415，小于鋼結構的允許應力比。通過以上對支撐架的計算模擬分析我們可以看出，支撐架的軸力圖、彎矩圖以及變形圖均符合基本力學規律，該支撐架滿足在該施工狀態下強度、剛度和穩定性的要求。

4 結語

1)利用大型有限元計算程序SAP2000給出了大型鋼桁架臨時支撐體系的數值模擬研究方法，計算和工程實際表明該方法是可行的。

2)計算了幾種不同荷載組合工況，得到了支撐架的應力、應變分布規律。

3)得到了支撐架的破壞規律：破壞主要位于支撐架最下端立桿處的壓彎破壞，支撐架桿件的最大壓力位于下部圓管支撐架的最下端立桿上，支撐架桿件的最大彎矩位于支撐架頂部的H型鋼交叉撐上。

4)為今后類似工程提供寶貴經驗。

[1]唐永杰，夏 娟.超重大型鋼桁架現場焊接吊裝.青島理工大學學報,2008,29(6):51-56.

[2]柏慶豐.上海港國際客運中心音樂文化中心工程懸掛式鋼結構施工技術.綠色施工,2012(1):63-65.

[3]張衛東.新沂河特大橋主橋臨時支撐體系.山西建筑,2010，36(24):324-325.

[4]劉志強.淺論鋼結構屋面滑移施工中的臨時支撐.技術交流,2013(4):232-234.

[5]褚世仙，楊雷生.東勝體育場鋼結構施工臨時支撐體系監測.現代測繪,2011,34(2):5-6.

[6]冉孟安.人防指揮所工程大廳被覆施工支架的設計與應用.科技風,2012,11(下):146-150.

[7]GB 50017—2003，鋼結構設計規范.

Study on numerical simulation of large steel truss of temporary support system

Xu Fubin1Xiao Qiang1Chen Xiaoliang1Peng Dan2

(1.DepartmentoftheAcademyofMilitaryMedicalScience,Beijing100850,China；2.TheFirstAffiliatedHospitalofGeneralHospitalofPLA,Beijing100048,China)

With the large finite element software SAP2000 establish three-dimensional model, on a museum project in the construction process of large steel truss temporary support system are analyzed in numerical simulation, calculate the working condition of several different load combinations, to get the stress and strain distribution of brace.

steel truss, temporary support system, the elastic element, numerical simulation

1009-6825(2015)01-0039-02

2014-10-26

徐福賓(1973- )，男，高級工程師； 肖 強(1985- )，男，碩士，工程師； 陳小良(1963- )，男，高級工程師； 彭 丹(1986- )，女，碩士，會計師

TU755.22

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