某地區航站樓鋼桁架吊裝吊點布局研究

王 潔

(中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100142)

1 概述

隨著各種新型復雜大跨鋼結構建設項目日益增多,人們對大跨結構的施工技術及施工過程中表現出的諸多力學及技術問題愈來愈重視[1]。同時，研究大量的文獻與工程實例，不難發現這些結構在施工時面臨其中之一的共同難題是不同類型網架結構的安裝問題，在網架結構安裝時首要解決的問題是吊點布局,尤其是大跨鋼桁架吊裝吊點的布局。合理的吊點布局方案有利于鋼桁架吊裝的安全性、節約成本，是保證工程安全可靠順利進行的前提。但目前對大跨鋼桁架吊點布局的研究，雖有一些理論的形成，但未有系統性的概述，知識點較散亂，且研究相對較少、針對具體問題分析時主要側重于結果的形成，缺乏思路分析，理論與實際分析的連接較為薄弱。

論文結合工程實例，理論聯系實際，采用不同吊點布局方法，通過有限元軟件對不同方法確定的布局方案進行力學分析。通過對比結構桿件應力、位移及應力比等，確定最優方案。為類似工程鋼桁架吊裝吊點的選取提供指導意義，保證施工安全。

2 吊點布局原則與方法

2.1 吊點布局原則

吊點布局主要從吊點的位置、數量考慮。宏觀的講，從安全與成本的角度考慮：吊點數量越少，成本越低，相對易操作；但過少時，結構的安全性無法保證；吊點數量越多吊件越穩定，吊裝作業越安全；但過多時，對吊裝作業的操作要求更高，易在吊裝中產生受力不均衡問題，增加吊裝作業的風險。吊點位置與數量共同對吊點布局產生影響。研究大量文獻資料，可將鋼桁架吊點布置原則總結為7條[2-5]，見表1。

表1 布置原則

2.2 吊點布局方法

一般可將吊點的布局方法分為三類，見表2。同時，評判一種吊點布局方案合理與否，可用四種判別準則評價[6]，見表3。

表2 布局方法

表3 評價準則

3 建立模型與計算分析

3.1 工程概況

該工程為某航站樓，共地上兩層，首層為鋼筋混凝土框架結構，二層為鋼框架結構，屋面為雙向平面桁架結構，屋面最高點標高為24.00 m，檐口標高為19.10 m。選取建筑屋面的一榀桁架(簡稱HJ)為研究對象，對HJ整體吊裝的吊點布局進行研究。

HJ跨度為47.00 m，兩邊懸挑，長度均為10.00 m，高度為2.50 m，詳細尺寸見圖1(未標注弦桿為XG1，未標注腹桿為FG1)，桿件截面見表4，所用鋼材均為Q345B；吊裝擬采用100 t吊車雙機抬吊。

表4 HJ桿件截面

3.2 吊點布局分析

3.2.1 吊點布局方法的確定

HJ形狀較規則，桿件以桁架中心為軸對稱布置，但跨度較大，高度較高，自重較大，結合現場實際情況可將表2三種方法相結合進行吊點的布局研究。先用經驗法確定吊點個數，然后用簡化計算法確定吊點位置，最后用精確計算法優化吊點布局方案。

3.2.2 吊點個數的確定

HJ立面近似為長方形，長寬比較大，重量較重,則以經驗法為基礎，結合吊點布置原則第1，3，5條，初步確定吊點的個數擬采用2吊點與4吊點兩種方案。

3.2.3 吊點位置的確定

吊點位置的確定，可分三步。

第一步：確定吊件重心。常用確定方法：反力法，依據總體彎矩平衡原理確定；定義法，依據重心定義確定[7]。HJ幾何分布規則，桿件以縱向中心線為軸對稱分布；同時假定桿件材質均勻分布，則選擇定義法確定吊件的重心更簡單。HJ的結構重心即幾何中心，位于其縱向中心線上，簡化模型后位置如圖2～圖4所示三角形標示位置。

第二步：確定吊點大致位置。一般吊點大致位置的確定可用簡化計算法，即將鋼桁架簡化成一根勻質細長的桿件，通過最小彎矩準則計算吊點的大致位置(彎矩以上側受拉為正，反之為負)。結合論文吊點布置原則第2，3條，確定吊點大致位置：

1)吊點個數為2時，計算桿件吊點布置見圖2。

L1=L3,L1+L2+L3=L

(1)

其中，L1為桿件初始端到A點距離，m；L2為桿件AB兩點距離，m；L3為B點到桿件末端距離，m；L為桿件總長度，m。

(2)

其中，+MA為桿件A點處彎矩值，kN·m；+MB為桿件B點處彎矩值，kN·m；q為桿件上的均布荷載，kN/m；+M為桿件的正彎矩值，kN·m；-MAB為節點AB的跨中彎矩，kN·m；-M為桿件的負彎矩值，kN·m。

則利用最小彎矩準則即+M=-M，結合式(2)得：

(3)

2)吊點個數為4時，計算桿件吊點布置見圖3。

結合吊點個數為2的計算，可取:

(4)

其中，L3為桿件BC兩點距離，m；L4為桿件CD兩點距離，m；L5為D點到桿件末端距離，m。

結合2吊點計算方法，可得:

(5)

關于吊點大致位置的確定，除按最小彎矩準則確定外，還可通過使負彎矩為零(彎矩方向同上)選取吊點位置。具體仍結合吊點布置原則第2條、第3條確定。

1)吊點個數為2時,結合圖2，式(1)及式(2):

(6)

得:

(7)

2)吊點個數為4時，結合圖3、式(7)及吊點個數為2的計算，得:

(8)

由上述計算分析，結合數學規律，當吊點個數為N(偶數)時，各吊點間位置關系見式(10)，其中計算桿件吊點布置見圖4。

1)利用最小彎矩準則時，有:

(9)

其中，L1為桿件初始端到1點距離，m；L2為桿件1，2兩點距離，m；L…為桿件相鄰兩點距離，m；LN為桿件N-1,N兩點距離，m；LN+1為N點到桿件末端距離，m。

同理，得：

(10)

2)當利用負彎矩為零時，得:

(11)

第三步：確定吊點準確位置。確定吊點大致位置后，結合吊點布置原則第1條、第2條、第3條、第5條，確定吊點準確位置。

3.2.4 吊裝角度的確定

一般吊裝角度為90°即垂直吊裝時，吊裝鋼絲繩僅有豎向力，無水平分力，可減小吊件受力。因此首先考慮垂直吊裝，但當為四吊點時，現場僅有兩臺吊車，則需采用斜向吊裝，具體吊裝角度結合吊點布置原則第4條確定(論文中選60°)。

3.2.5 最終吊點布局方案的確定

經上述分析與計算，有四種吊點布局方案(見圖5～圖8)：

1)按最小彎矩準則確定的兩吊點布局方案。

2)按負彎矩為零確定的兩吊點布局方案。

3)按最小彎矩準則確定的四吊點布局方案。

4)按負彎矩為零確定的四吊點布局方案。

確定吊裝方案后，通過有限元軟件對上述四種吊點布局方案進行模擬分析，利用應力比與撓度準則判斷吊點布局方案的合理性。

3.3 有限元模型

在建立有限元模型前，先對模型簡化處理。假設：1)結點皆為光滑無摩擦的理想鉸接點；2)荷載與支座反力均作用在結點上；3)桿件皆為勻質等截面直桿，且通過鉸的中心；4)結構內力變形按彈性階段考慮；5)在吊裝過程中，僅有重力作用(風力過大，停止吊裝)。同時，鋼桁架的吊裝過程為勻速上升，分析時取一個平衡狀態；在吊點處施加一個與吊繩方向相同的鉸支座，模擬吊繩對桁架的作用。

1)吊裝荷載。計算分析時，荷載僅考慮吊件與吊具重量(吊具重量偏安全可取0.2GK1)，荷載值為：

G=1.2K1K2γGGK1

(12)

其中，G為考慮吊具重量后的荷載設計值，kN；K1為動載系數，取值1.1；K2為不均衡載荷系數，一般取值1.10～1.25；γG為重力荷載分項系數，取值1.3；GK1為荷載標準值(被吊構件重量)，kN。

同時撓度計算時按荷載標準值考慮,則：

GK=1.2K1K2GK1

(13)

其中，GK為考慮吊具重量后的荷載標準值，kN。

2)計算結果。經有限元軟件計算分析，桿件的最大應力均發生在吊點附近，不同吊點布局方案下桿件應力(拉力為正，壓力為負)、位移(向下為正)、應力比最大值以及支座豎向反力見表5。

表5 四種方案下構件吊裝模擬計算結果

由表5知桿件最大應力比均遠小于1，所有桿件均在彈性范圍內工作，最大豎向位移均滿足規范要求(0.737<12 100/125，0.914<27 000/250，0.473<11 500/250，0.562<15 000/250),且結構有足夠安全儲備。

結合有限元軟件計算，可知不同吊點布局方案，使吊件桿件產生的最大應力、位移的位置、數值均不同；其中，方案四的桿件應力比最小，方案三與方案二的桿件應力比最大，方案一次之；方案四的豎向位移(絕對值，余同)最小，方案一的豎向位移最大，其次為方案二、方案三。由此結合應力比與撓度準則可初步判斷方案四最合理，其次為方案三、方案一，方案二最差。

除此，經有限元軟件模擬分析，不同方案對桁架相同位置的桿件、節點產生的應力、位移也不同，取四種方案下HJ一側懸挑邊和跨中位置桿件的應力及相應位置的節點位移為對象進行對比分析。對相同位置的桿件、節點分別做統一編號：桿件編號為1～5、節點編號為A～C，桿件節點位置見圖9。

選取四種吊點布局方案下指定桿件應力、節點位移如圖10，圖11所示。

由圖10可知，該工程下吊點布局方案的改變對吊件跨中弦桿應力的影響較顯著，且選取桿件應力值(絕對值，余同)除3號與5號在方案四下值最大，其余桿件在方案一下值最大；由圖11可知，該工程下吊點布局方案的改變對吊件跨中、懸挑處的節點位移的影響均較顯著，且選取節點的位移值(絕對值，余同)除A點在方案三下值最小，方案二下值最大，其余節點均在方案四下值最小，方案一下值最大。

結合表5，對四種方案再進行對比分析，可知方案一、二相對方案三、四，其弦桿應力相對偏小，但位移相對偏大；方案一相對方案三或方案二相對方案四，隨吊點數量的增加，弦桿應力增加，位移減小。即針對HJ的吊裝方案，無論“+M=-M”或“-M=0”，吊點數量增加，弦桿應力增加，位移減小，造成這樣的主要原因是方案三、四存在吊裝角度，使桁架產生水平向約束，從而增加桿件軸力，最終使應力增大。

綜合對比，針對該工程，若僅按應力比與撓度準則對方案進行評估，方案四最為合理，其次為方案三、方案一，方案二最差；但考慮到方案三、方案四需增加腹桿來滿足吊件的穩定性，則選取方案一最為合理，其次依次為方案二、方案四、方案三。

4 結語

1)吊點布局時，可多種方法結合使用。2)確定吊點位置時，“+M=-M”與“-M=0”兩種方法都可用，但哪種方法更為優越，需結合實際問題分析確定。3)吊點數量的增加，使吊件的節點位移減小；使每個支座的豎向約束減小；但不一定使吊件的桿件應力減小，相反可能使其應力增大。4)當吊點存在吊裝角度時，因存在水平分力，一般會增大吊件的桿件應力，尤其對弦桿應力的影響較為顯著。5)文中選取的HJ吊裝作業最終選取方案一，順利實現該桁架的吊裝。6)為類似鋼桁架吊裝作業吊點的布局分析提供技術思路。