Sap2000在美標吊車梁結構分析中的應用

黃 海 龍

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

國內水電設計人員參與國際工程越來越多，在國標還未完全走出去的形勢下，運用歐美標準應對國際咨詢公司審查，是對走向國際的水電工程師的基本要求。在進行吊車梁結構分析時，國內一般采用的理正工具箱等難以被國際咨詢公司接受，而手工計算或查表法[1]涉及多跨(單跨)結構的影響線分析和內力包絡等，操作不直觀且較為繁瑣。另外已有文獻[2][3]進行了基于中外標準吊車梁的分析對比，但側重于規范內容的對比，對于在Sap2000中的實現流程涉及不多。

基于此背景，本文結合老撾南部某在建水電工程，運用國際通用結構分析軟件Sap2000，在美國標準(ACI 318及EM 1110-2-2104等)要求下對該電站安裝間混凝土吊車梁進行結構分析，詳細展示Sap2000在吊車梁結構設計中的應用流程及相關注意事項，以供需要的設計人員參考。

1 Sap2000結構分析流程

Sap2000是美國CSI公司開發的通用結構分析與設計軟件，在世界范圍內應用廣泛。該程序分析功能強大，基本涵蓋工程領域的所有結構分析需求，并提供集成式、可視化的操作界面，易于學習和掌握。Sap2000的結構分析流程與常規結構軟件基本一致，詳見圖1。

2 Sap2000中吊車梁結構分析應注意的問題

2.1 吊車移動荷載施加方法

吊車梁上部吊車在移動時體現為吊車輪壓荷載，結構在移動輪壓的作用下，內力、位移等響應隨荷載位置變化而不同。雖然Sap2000中并沒有專門針對吊車荷載的荷載模式，但考慮到吊車移動時的荷載可類似橋梁車輛荷載，故可參考程序中的“橋梁荷載”方式模擬實現。實現流程如下：

定義車道(定義吊車軌道)→定義車輛(吊車輪壓數據)→定義車輛類別(一般車輛)→定義橋梁反應(輸出選項)→定義移動荷載分析工況。

2.2 端部(彎矩)釋放

水電站廠房混凝土吊車梁布置形式一般可采用以下兩種：

1)連續式現澆吊車梁。

在結構分析時應簡化為多跨連續梁結構(見圖2)，中間跨的支座處形成節點，在Sap2000中直接施加鉸接(簡支)約束，不可進行端部釋放。

2)多跨簡支吊車梁。

多跨簡支梁在Sap2000中建立模型后，中間支座處應進行彎矩釋放的操作(見圖3)。在程序中通過“指定”—“框架”—“釋放/部分固定”來實現端部彎矩的釋放。

3 工程實例應用分析

本工程安裝間布置于主廠房左側，為典型的排架柱結構體系。安裝間尺寸為38.0 m×24.0 m(長×寬)，排架柱共五跨，柱間距7.4 m。工程采用250 t/50 t級橋式吊車，吊車梁初擬矩形斷面，尺寸0.8 m×1.4 m(寬×高)。布置方式考慮連續現澆混凝土吊車梁和預制簡支梁兩種方案，如圖4，圖5所示。

橋式吊車基本參數：額定起重量250 t/50 t，最大輪壓Pmax=410 kN，單側輪數各8個。

3.1 計算模型

考慮吊車梁的兩種設計方案，在Sap2000中通過新建模型(現有梁模板)，分別建立計算模型1(如圖6所示)和模型2(如圖7所示)，并賦予梁斷面及材料屬性(采用美標5000psi混凝土)。

3.2 計算荷載

吊車梁上主要荷載為吊車梁自重、軌道(及上部細石混凝土)自重、吊車豎向輪壓及豎向沖擊力、吊車水平剎車荷載等。其中縱向水平剎車力沿軌道方向由吊車梁傳給排架柱，計算吊車梁截面時不考慮。

荷載計算根據Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures(ASCE 7-10)執行，主要荷載計算方法與國內基本一致。下面重點對吊車豎向移動荷載的計算和施加方式加以說明。

根據ASCE 7-10第4.9節要求，對于動力式有駕駛室操作的吊車，考慮豎向沖擊(振動)作用時，最大輪壓應放大25%。因此單個輪最大豎向荷載為：

P=Pmax·(1+25%)=410×1.25=512.5 kN。

豎向移動輪壓在Sap2000中的實現流程如下：

1)定義車道(定義吊車軌道)。

通過菜單“定義”—“橋梁荷載”—“車道”，將5跨吊車梁框架依次添加為吊車運行軌道。其中，中心線偏移定義為吊車荷載的偏移布置(本工程取為0)，車道寬度影響對吊車荷載可忽略，其余按默認設置。

2)定義車輛(吊車輪壓數據)。

通過菜單“定義”—“橋梁荷載”—“車輛”，將單側8個輪壓作為輪軸荷載添加至車輛數據中，并根據輪壓分布確定荷載間距，其余按默認設置，設置界面如圖8所示。

3)定義車輛類別(一般車輛)。

通過菜單“定義”—“橋梁荷載”—“車輛類別”，選擇上一步定義的車輛“Crane wheels”，比例系數選為1。

4)定義橋梁反應(輸出選項)。

通過菜單“定義”—“橋梁荷載”—“橋梁反應”，選擇需要輸出的結果。

5)定義移動荷載分析工況。

通過菜單“定義”—“荷載工況”，添加新的荷載工況，選擇“Moving load”類型，按默認添加車輛荷載。

通過荷載分析與施加操作，得到吊車梁的結構荷載簡圖如圖9所示。

3.3 荷載組合

根據ACI 318-14第5.3節要求，確定吊車梁計算工況選用：

U=1.2D+1.6L。

其中，U為需求強度；D為恒荷載；L為活荷載(含吊車荷載)。

4 吊車梁結構分析

經Sap2000運行分析，可快速獲得吊車豎向輪壓作用下結構的彎矩、剪力包絡圖及變形撓度圖，見圖10～圖12。吊車橫向水平荷載由小車剎車時引起，作用位置與吊車豎向輪壓一致，結構內力影響線亦相同，故計算方法與吊車豎向輪壓計算類似，本文不再敘述。

根據美標ACI318及EM 1110-2-2104相關要求，參考類似文獻[2]，可對吊車梁結構進行承載能力計算和正常使用極限狀態驗算，本文進行了模型1與模型2的內力、變形與配筋對比，見表1。

表1 計算模型1與模型2的內力、變形與配筋結果對比

由上述內力與配筋成果可知：

1)連續梁結構(模型1)的彎矩、撓度及配筋量(除最大剪力外)均小于簡支梁結構(模型2)，從工程成本上可節省鋼材約15%。

2)簡支梁結構(模型2)因結構內力(彎矩)較大，經EM 1110-2-2104附錄D方法復核，初擬吊車梁斷面(800 mm×1 400 mm)已不能滿足要求，需將梁高增至1 500 mm，并提高混凝土標號才可滿足美標要求，在一定程度也提高了造價。

5 結語

1)工程中廠房吊車梁結構可采用連續梁或簡支梁形式。簡支梁結構傳力清晰、構造簡單，多采用預制，而連續梁結構受力和變形相對較小，節省工程投資。本實例中考慮預制簡支梁構件較重，現場條件無法吊運安裝，不能實現提前預制節約直線工期的效果，且連續梁方案總體造價較低，具有一定經濟效益，故選用多跨現澆連續吊車梁結構。吊車梁施工完成后順利通過了荷載試驗，運行良好。

2)Sap2000中可通過截面設計器自定義梁斷面形式，尤其是工程常用的T型斷面吊車梁。程序能夠方便且快速的完成不同跨數、斷面、輪跨比等多方案的對比分析，大大提高工程設計人員效率。同時，Sap2000也適用于鋼結構分析，較好的適用于鋼吊車梁的結構分析。

3)通過實例分析，Sap2000在進行不同吊車梁結構分析時具有方便快捷、直觀可靠的優勢，能較好的模擬吊車移動荷載并快速獲取結構內力和變形等成果，滿足設計要求。在國際水電業務進一步拓展的形勢下，推廣使用Sap2000結構分析程序，以其功能強大及國際通用的特點，可更好地適應國際工程結構設計的需要。

參考文獻:

[1] 姜 慧，楊曉龍，林克昌.工業廠房現澆鋼筋混凝土連續吊車梁的實用計算與設計[J].工業建筑，2007，37(3)：42-45.

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[3] 王開惠，蔣 輝，李立昌.中澳規范吊車梁設計異同比較[J].鋼結構，2010(6)：43-47.

[4] 張殿雙，姜樹立，胡順志.蓮花水電站廠房吊車梁優化設計[J].東北水利水電，2004(22)：16-20.

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[7] EM 1110-2-2104,Strength design for reinforced-concrete hydraulic structures[S].

[8] 郭 強，劉玉璽，李永勝，等.喀麥隆曼維萊水電站廠房吊車梁結構設計[J].水利水電工程設計，2017，36(3)：31-33.