大跨度鋼屋架吊裝平面外穩(wěn)定的內(nèi)力控制方法

□文/曹爽秋

大跨度鋼屋架吊裝平面外穩(wěn)定的內(nèi)力控制方法

□文/曹爽秋

大跨度廠房在安裝中最經(jīng)濟(jì)的方法就是單榀提升就位，此方法存在一個容易忽視的問題就是鋼屋架吊裝過程中的平面外穩(wěn)定性。文章通過工程實例，探討大跨度鋼屋架吊裝平面外穩(wěn)定的內(nèi)力控制方法。

大跨度；單榀；桁鋼；屋架；吊裝；平面；外穩(wěn)定；內(nèi)力

1　工程概況

空客A330寬體飛機(jī)完成和交付中心定制廠房項目中，完成中心廠房主體由工作組機(jī)庫、客艙裝飾機(jī)庫1&2組成三連跨鋼排架結(jié)構(gòu)。廠房總長度222 m，進(jìn)深84 m。工作組機(jī)庫跨度78 m，客艙裝飾機(jī)庫1&2跨度均為72 m，屋架下弦標(biāo)高21 m。結(jié)構(gòu)布置4排共36根實腹H型鋼柱，單根最大質(zhì)量約16.4 t。鋼柱在A～B軸H～J軸間柱距為6 m，其余均為12 m，鋼柱柱腳標(biāo)高-3.25 m，全高26.4 m，各排鋼柱沿縱向設(shè)計柱間支撐。

2　吊裝方法

目前大跨度鋼屋架在剛度滿足的情況下采用的是單榀雙機(jī)抬吊裝施工，見圖1。

圖1　大跨度鋼屋架吊裝工況

2.1大跨度鋼屋架吊裝井面外穩(wěn)定支撐剛度的確定

鋼屋架吊裝中，由于每榀鋼屋架沒有任何外力支撐的作用，所以上下弦桿、腹桿互相之間對側(cè)向抗彎剛度的影響比較弱，但從安全考慮一般不計這種影響，僅作為安全儲備。實際上鋼屋架在吊裝過程中存在一個確定的面外支撐作用，這就是吊裝使用的鋼絲繩。當(dāng)鋼絲繩橫向擺動離開原位置為d時，必然產(chǎn)生一水平的恢復(fù)力F，見圖2。

圖2　鋼絲繩恢復(fù)力

式中：F繩為鋼絲繩內(nèi)力；l繩為鋼絲繩長度，為定值，所以鋼絲繩對鋼屋架的面外支撐力與水平擺動離d成正比，可將這一作用考慮為剛度為k的彈簧，k

2.2鋼屋架上弦桿吊裝面外穩(wěn)定的分析

目前對于鋼屋架吊裝中的跨外穩(wěn)定問題一般考慮上弦吊點之間的桿件作長度作為計算長度，這樣的假設(shè)造成如果鋼屋架上弦桿失穩(wěn)則形成圖3的變形狀態(tài)。

圖3　假定成為三段失穩(wěn)的變形

如考慮兩個吊點對應(yīng)的間距與中間段距離相等，則所有的支撐點均為反彎點，反彎點彎矩為0，要求鋼絲繩的k至少為，所以要求，通過計算，發(fā)現(xiàn)繩力是無法滿足公式的，這就是說明鋼屋架無法形成三段式失穩(wěn)狀態(tài)，鋼絲繩對鋼屋架的側(cè)向穩(wěn)定支撐剛度沒有那么大。

合理的計算方法應(yīng)根據(jù)k的實際數(shù)值先轉(zhuǎn)化為兩段鉸接中間為彈簧支撐的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)彈性穩(wěn)定理論計算失穩(wěn)荷載。

轉(zhuǎn)換方法見圖4，可直接把兩端設(shè)置為原位置不動，則形成兩端鉸接，中間為彈簧的軸心受壓結(jié)構(gòu)。

但需要注意的是，當(dāng)?shù)谝环N四彈簧結(jié)構(gòu)與第二種兩端鉸接結(jié)構(gòu)等價時，彈簧剛度第一種需要是第二種的2倍。例如當(dāng)三段等長軸心桿件受壓屈曲時，第一種結(jié)構(gòu)彈簧剛度為，第二種結(jié)構(gòu)（讀者可自行計算），也就是說當(dāng)采用兩端鉸接，中間彈簧的軸心受壓桿計算公式時，須將原結(jié)構(gòu)的k除以2，再代入公式方可得到正確解。

3　方法驗證

以72 m、31 t鋼屋架吊裝為例進(jìn)行說明。

3.1內(nèi)力分析

內(nèi)力采用MIDAS/GEN有限元結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行計算，建模及計算結(jié)果見圖5。

圖5　72m跨鋼屋架吊裝內(nèi)力分析

由圖5可知，鋼絲繩內(nèi)力約為100 kN，鋼絲繩繩長17 m，則當(dāng)鋼絲繩面外橫向擺動時，k=5.9 kN/m，代入兩端鉸接結(jié)構(gòu)時取K=0.5k。

上弦桿取最小截面為H400mm×400mm×10mm× 18 mm，最大間距l(xiāng)=24 m，根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，當(dāng)彈簧剛度足夠大時，桿件軸壓承載力為

實際彈簧剛度Kl/N0=0.08＜0.5，N=（0.11+0.9Kl/N0）N0=0.2N0=136（kN）。N為實際最大承載力。

上弦最大壓力為53 kN，考慮彎矩等不利影響，乘以1.2的系數(shù)為64 kN，應(yīng)力為0.46＜0.6，滿足吊裝安全要求。

3.2鋼屋架下弦桿吊裝穩(wěn)定驗算

大跨度鋼屋架下弦桿由于不存在任何側(cè)向支撐，所以應(yīng)在吊點設(shè)計時控制下弦桿內(nèi)力盡量為拉桿，由于施工中很少將屋架端部設(shè)為吊點，所以在兩端會存在一定的壓力，這種兩端受壓中間受拉的屋架下弦桿件可以進(jìn)行穩(wěn)定分析。

受壓端長度為9 m壓力取大值為19.9 kN，中間受拉長度48 m，拉力平均值為19.4 kN。

對下弦平面完全不設(shè)支撐的三段式（壓拉壓）軸心受力桿件的進(jìn)行驗算η=Nt/Nc=19.7/19.9=0.97。

當(dāng)0.1≤η≤1時，α=2.7+3（1-η）3=2.7；當(dāng)1≤η≤2時，α=2.2+0.5（2-η）2；則計算長度系數(shù)μ=1-

計算長度μl=38 m，按照鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論可知，當(dāng)下弦承受軸心壓力面外失穩(wěn)時，最大受壓承載力為121 kN（根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算），下弦吊裝中最大壓力為19.9 kN，考慮彎矩影響乘以1.2，則應(yīng)力比為0.2＜0.6，滿足要求。

4　總結(jié)

1）采用MIDAS/GEN分析軟件或其他結(jié)構(gòu)分析軟件，進(jìn)行吊點設(shè)計。通過吊點的位置設(shè)計，使得屋架上弦受壓盡量較?。ɡ硐肭闆r為原設(shè)計承載力的1/10），同時下弦兩端受壓而中部大部分桿件受拉。

2）獲得鋼屋架吊裝內(nèi)力軸力數(shù)值。

3）計算時，截面取最小截面，上弦計算考慮為多跨等長（本工程為三跨），采用實際最大長度為標(biāo)準(zhǔn)跨長度。

4）應(yīng)力比的控制，本工程為0.6（考慮現(xiàn)場各種不利影響），當(dāng)天氣很好時可以采用0.8作為控制值。

5）如發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定問題應(yīng)考慮重新布置吊點調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力并重復(fù)以上步驟。

6）當(dāng)仍然無法保證面外穩(wěn)定時，必須考慮兩榀桁架同時吊裝或者在面外采用附加小桁架的做法保證結(jié)構(gòu)吊裝穩(wěn)定。

TU391

C

1008-3197（2016）04-20-02

2016-07-06

曹爽秋/男，1972年出生，高級工程師，天津市建工工程總承包有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.007