基于有限元軟件的提升架結構計算分析

胡丹輝

海鹽縣城市投資集團有限公司 浙江 嘉興 314300

1 工程概況

某工程鋼結構網架屋蓋總覆蓋面積為237 232 m2，屋蓋呈自由曲面，最高點標高為41.30 m，平面尺寸約為772 m×248 m（圖1）。屋蓋采用雙向正交正放網架結構，屬交叉網架體系。屋蓋網架采用圓鋼管截面，采用帶暗節點板的相貫焊連接節點，與支承鋼柱連接采用鉸接與剛接二種形式（圖2、圖3）。

圖1 結構平面尺寸示意

圖2 支承鋼柱剛接形式

圖3 支承鋼柱鉸接形式

網架采用液壓同步提升方案進行施工，網架上弦標高約為30 m，提升總質量約5 900 t。網架支承結構采用鋼管柱和鋼管混凝土柱，周邊的支承柱為傾角12°的斜柱，其余支承柱為直立柱，柱截面均為下大上小的圓臺形狀。

2 提升架計算及有限元分析

本工程提升架的形式主要分為4種[1-4]：第1種為牛腿形式提升架；第2種為格構式提升架，適用于本工程柱距為18 m的斜柱；第3種也是格構式提升架，適用于本工程柱頂鉸接的鋼柱；第4種為混凝土梁上提升架。有限元計算軟件采用通用有限元計算軟件SAP 2000以及ANSYS 15.0。

2.1 提升架1

柱頂設置牛腿，提升器放置在牛腿上，形成整體共同受力結構，牛腿為700 mm×400 mm×20 mm×25 mm箱型截面（圖4）。使用ANSYS 15.0有限元軟件建模計算分析：結構單元類型選為SOLID186；材料屬性設定楊氏模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3；約束方式為鋼柱底面三向約束；懸挑梁端部放置提升器部位施加豎向荷載1 570 kN，換算壓強為17.5 MPa。

模型建成后進行網格劃分（圖5）。對結構有限元模型施加荷載計算分析，可得提升架結構應力云圖和結構位移云圖（圖6）。不考慮應力集中，提升梁最大應力不超過233 MPa，懸挑牛腿最大下撓為1 cm，滿足提升施工要求。

2.2 提升架2

提升架2的形式為格構式，3個短牛腿與格構柱形成下部支撐結構，橫梁和懸挑梁形成上部支撐結構（圖7）。

采用SAP 2000 V14.1有限元分析軟件，選用梁、柱桿件單元建模。計算分析考慮最不利情況，選取的最大提升反力為670 kN。考慮恒荷載和活荷載組合，此外還考慮提升過程中的水平荷載，考慮的荷載組合與提升架1相同。經計算，提升架2最大撓度6 mm，最大應力比0.82（圖8），滿足提升施工要求。

圖4 提升架1結構模型

圖5 模型網格劃分

圖6 提升架1有限元計算結果

圖7 提升架2結構模型

圖8 提升架2有限元計算結果

2.3 提升架3

提升架3設置在D型柱區域，該柱柱頂為鉸接連接（圖9）。提升架3設置在鋼管混凝土柱頂，柱頂設置牛腿，提升架放置在牛腿上。提升架3中抗拉、抗壓立柱采用φ203 mm×14 mm鋼管，立柱頂部設置橫梁，橫梁截面尺寸為300 mm×300 mm×20 mm×20 mm。提升梁放置在頂部橫梁上，提升梁采用2個截面尺寸為300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm的H型鋼。提升架立柱采用φ114 mm×4 mm作為綴桿，使提升架形成一個整體，具有一定的抗水平荷載能力，以滿足提升要求。

圖9 提升架3結構模型

采用有限元軟件SAP 2000進行建模分析，計算分析考慮最不利情況，選取的最大提升反力為670 kN。考慮恒荷載和活荷載組合，此外還考慮提升過程中的水平荷載，考慮的荷載組合與提升架1相同。經計算，提升工況下提升梁前端最大撓度3 mm，桿件最大應力比0.74（圖10），滿足提升施工要求。

圖10 提升架3有限元計算結果

提升架3牛腿截面為箱型1 080 mm×300 mm×20 mm×20 mm，材質為Q345B鋼材。使用ANSYS 15.0有限元軟件建模計算分析：結構單元類型為SOLID 186；材料屬性設定楊氏模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3；約束方式為鋼柱底面三向約束；對提升架柱腳位置施加豎向荷載280 MPa和－50 MPa。對結構有限元模型施加荷載計算分析，可得提升架結構牛腿應力云圖和結構位移云圖（圖11）。不考慮應力集中現象，牛腿最大應力222 MPa，最大變形20 mm，滿足提升施工要求。

2.4 提升架4

提升架4設置在混凝土梁上，柱腳設置預埋件，柱頂設置懸挑梁，提升器放置在懸挑梁的端部（圖12）。提升架4主要分布在本工程建筑物4層夾層以及4層樓面外圍部分，設置在混凝土梁上并且在梁頂設置高約500 mm小短柱，懸挑梁懸挑距離為1 m左右。短柱采用截面尺寸為300 mm×300 mm×20 mm×30mm的箱型結構，懸挑梁采用截面尺寸為600 mm×400 mm×20 mm×25 mm的箱型結構。

圖11 提升架3牛腿有限元計算結果

圖12 提升架4結構模型

計算采用有限元分析軟件SAP 2000進行模擬分析，提升反力為250 kN，水平荷載為25 kN。經計算，在提升工況下提升梁前端最大撓度為7 mm，提升架桿件最大應力比為0.55（圖13），滿足提升施工要求。

圖13 提升架4有限元計算結果

3 下吊點臨時桿件有限元分析

在網架節點上增加4根桿件并匯交于一點作為提升下吊點，對下吊點結構采用有限元分析軟件ANSYS 15.0進行計算分析。下吊點結構主要有φ450 mm×20 mm、φ450 mm×25 mm、φ500 mm×25 mm這3種規格，計算分析如下[5-9]：

1）規格1：焊接球尺寸為φ450 mm×20 mm，材質為Q345，荷載672 kN。不考慮應力集中點，經有限元計算（圖14），最大應力為256 MPa，滿足提升要求。

2）規格2：焊接球尺寸為φ450 mm×25 mm，材質為Q345，荷載為840 kN。不考慮應力集中點，經計算，最大應力為271 MPa，滿足提升要求。

3）規格3：焊接球尺寸為φ500 mm×25 mm，材質為Q345，荷載為1 498 kN。不考慮應力集中點，經計算，最大應力為280 MPa，滿足提升要求。

圖14 規格1焊接球有限元計算

4 結語

1）根據各形式的提升架有限元分析結果可以得知：提升架1結構最大應力出現在柱頂與牛腿連接處；提升架2結構最大應力比出現在頂部橫梁處；提升架3結構最大應力比出現在格構柱豎向柱上；提升架4結構最大應力比出現在靠近懸挑梁處的短柱上。因此在設計和加工提升架時，這些地方的構件與節點要加強。

2）對3種焊接球上的下吊點臨時桿件結構進行了有限元分析，驗證了此種提升方法安全可行。根據有限元分析結果可以發現，焊接球與桿件連接處應力較大，實際施工時此處要加強。

3）本文基于SAP 2000和ANSYS有限元軟件，對施工過程中的提升架結構進行了有限元計算分析，為提升架結構承載力和使用功能的可靠性、安全性分析提供了可靠的計算依據。盡管文中只列出了4種提升架結構形式，但也可以參照此有限元分析方法對其他形式的提升架結構進行有限元分析。