港口工程大跨度鋼桁架廊道施工吊裝過(guò)程仿真分析

周 珣，張晉斌

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071)

長(zhǎng)江是貨運(yùn)量位居全球內(nèi)河第一的黃金水道，在我國(guó)區(qū)域發(fā)展總體格局中具有重要戰(zhàn)略地位。依托黃金水道推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展，打造中國(guó)經(jīng)濟(jì)新支撐帶，有利于挖掘中上游廣闊腹地蘊(yùn)含的巨大內(nèi)需潛力。建造自動(dòng)化程度高的散貨碼頭，有利于提高散貨碼頭的生產(chǎn)效率以及轉(zhuǎn)運(yùn)能力。鋼結(jié)構(gòu)體系具有跨度大，施工迅速，裝配化程度高等特點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于碼頭生產(chǎn)建筑物中，尤其是大跨度工業(yè)廊道結(jié)構(gòu)。

港口工程廊道具有跨度大、承受振動(dòng)荷載且荷載較大的特點(diǎn)，在施工過(guò)程中對(duì)其拼裝順序、安全性以及精確性都有較高的要求，如若安裝偏差較大，可能直接影響設(shè)備的安裝與運(yùn)行，影響其使用功能。大跨度鋼結(jié)構(gòu)在安裝、吊裝過(guò)程中，其受力形式往往會(huì)不同于正常使用時(shí)的受力形態(tài)[1-5]。在施工前，往往對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安裝以及吊裝過(guò)程中的二次計(jì)算與優(yōu)化，驗(yàn)算過(guò)程中每個(gè)施工階段可能引起的受力變化，并驗(yàn)算各個(gè)施工過(guò)程中桿件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及變形，對(duì)于薄弱的環(huán)節(jié)予以采取相應(yīng)措施，以保證其順利實(shí)施[6-8]。

本文結(jié)合長(zhǎng)江某散貨碼頭鋼桁架結(jié)構(gòu)皮帶機(jī)廊道的安裝工程為實(shí)例，采用MIDAS軟件對(duì)鋼桁架吊裝過(guò)程進(jìn)行施工階段模擬分析，以模擬單片桁架吊裝翻身過(guò)程中桁架各桿件的力學(xué)指標(biāo)的變化情況，為后續(xù)工程提供參考。

1 工程概況

本工程為散貨工藝碼頭，皮帶機(jī)廊道采用大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)，廊道寬7.4 m，主要跨度為35.1 m。本文選取港區(qū)內(nèi)的某廊道作為算例，該廊道連接兩個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站，本文對(duì)該廊道桁架結(jié)構(gòu)的單片吊裝過(guò)程進(jìn)行施工過(guò)程分析，該桁架結(jié)構(gòu)鋼材均采用Q345-B，桁架截面尺寸如圖1所示。

2 吊裝方案

2.1 吊裝方式

該段桁架吊裝前，首先進(jìn)行拼接，待主桁架拼接完成后，采用單片吊裝的方式，吊裝后再進(jìn)行二次拼裝將兩片主桁架連接形成廊道結(jié)構(gòu)。在單片桁架吊裝的過(guò)程中，主桁架在吊裝前采取地面平放拼裝，故在調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)，需對(duì)桁架進(jìn)行翻身，主桁架翻身過(guò)程中，受力狀態(tài)發(fā)生較大的變化，增加了吊裝的難度。

圖1 桁架桿件截面尺寸Fig.1 Dimension of the truss member sections

2.2 吊點(diǎn)位置的確定

圖2 簡(jiǎn)支梁吊裝力學(xué)特征Fig.2 Characteristics of simply supported beam during hoisting process

在確定大跨度鋼桁架吊裝方案時(shí)，吊點(diǎn)的選擇與布置是首要考慮的問(wèn)題。吊點(diǎn)的選擇要在自重作用下保證構(gòu)件兩端的軸向變形等于或接近于零，且保證構(gòu)件的變形和彎矩分部比較均勻，且數(shù)值最小。本工程中，鋼桁架吊點(diǎn)的確定可將整片鋼桁架整體分析，根據(jù)推導(dǎo)[9]，最適合吊點(diǎn)位置如圖2所示，吊點(diǎn)位置見(jiàn)公式(1)和公式(2)。由于桁架結(jié)構(gòu)桿件主要承受拉力與壓力，其抗彎承載力較弱，故將吊點(diǎn)位置設(shè)置在桁架上弦桿與腹桿的節(jié)點(diǎn)處，以達(dá)到最佳受力狀態(tài)，吊點(diǎn)位置設(shè)在距離桁架兩端支座中心線距離為7 500 mm處的上弦桿與腹桿的節(jié)點(diǎn)處，如圖1所示。

(1)

(2)

圖3 單片桁架安裝示意圖Fig.3 Process figure of hoisting monolithic truss erection

2.3 主要施工過(guò)程

在吊裝前，首先搭設(shè)高空作業(yè)平臺(tái)，35.1 m跨單片主桁架吊裝采用一臺(tái)130 t汽車吊進(jìn)行吊裝。單片桁架翻身前，在分別距桁架兩邊10 m處下弦桿節(jié)點(diǎn)處增設(shè)木墊塊，以減少桁架在翻身過(guò)程中的平面外變形。吊繩與水平夾角為60°。單片桁架安裝完成后，設(shè)置型鋼臨時(shí)支撐，以保證單片桁架的穩(wěn)定性。

采用高空搭設(shè)平臺(tái)，單片散件吊上平臺(tái)，在平臺(tái)上組裝和單片吊上平臺(tái)的方式安裝。平臺(tái)搭設(shè)前，以桁架節(jié)點(diǎn)位置下方設(shè)置滿堂支撐腳手架，其高度伸至桁架底面，相鄰兩個(gè)支撐架頂上橫放一根工字鋼，型號(hào)為H800×400×25×25；并在桁架弦桿兩側(cè)各2 m范圍搭設(shè)滿堂鋼管腳手架，高度至桁架底1 m處，并鋪設(shè)跳板，用于下弦橫梁施工；桁架片吊裝時(shí)在預(yù)埋件上焊接定位限位鋼板，就位時(shí)桁架緊貼限位鋼板緩慢下落，直到桁架兩端支座受力后，將限位鋼板與桁架焊接，再將桁架上懸用手拉葫蘆校正，然后將桁架上弦桿與平臺(tái)梁用后H250×250×9×14的H型鋼連接。待桁架片就位完成后，再搭設(shè)至桁架上弦桿1 m處，再滿鋪二層跳板，用于桁架上弦桿橫梁施工。單片桁架吊裝簡(jiǎn)圖如圖3-a和3-b所示，施工過(guò)程三維示意如圖3-c所示。

單段(片)桁架安裝完成后，應(yīng)用鋼板與預(yù)埋件焊接連接，連接鋼板的厚度不小于12 mm，長(zhǎng)度不小于300 mm，連接板與預(yù)埋件和柱腳的焊縫長(zhǎng)度不小于200 mm，焊腳為6 mm。直到整條廊道安裝完成后割除。

圖4 單片桁架吊裝模型Fig.4 Model of hoisting monolithic truss

3 施工過(guò)程模擬

3.1 有限元分析模型的建立

根據(jù)皮帶機(jī)廊道鋼桁架的受力特點(diǎn)，對(duì)其吊裝過(guò)程采用有限元軟件MIDAS進(jìn)行建模，其模型如圖4所示。桁架桿件采用Bernoulli-Euler梁?jiǎn)卧?，單位采用kN·m。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，鋼材材料種類為Q345-B，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比取0.3，密度為7 850 kg/m3。依據(jù)第四強(qiáng)度理論的理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服強(qiáng)度按照《GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，桁架吊裝過(guò)程中考慮1.5倍動(dòng)力系數(shù)[10]。

3.2 桁架吊裝過(guò)程力學(xué)性能分析

根據(jù)吊裝方案，該段廊道首先吊裝單片桁架，進(jìn)行臨時(shí)固定后，再進(jìn)行兩片桁架的連接。其在起吊初期的受力形式為桁架平面外受力，與桁架設(shè)計(jì)狀態(tài)下的平面內(nèi)受力不同。驗(yàn)證該吊裝方案的合理性以及可行性，主要是驗(yàn)證該桁架在吊裝翻身過(guò)程中平面外的受力狀況下，桿件的強(qiáng)度、剛度是否能夠滿足設(shè)計(jì)值。

本文介紹了該桁架在翻身過(guò)程中，桁架與地平面的夾角從0°～90°范圍變化時(shí)，各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件的力學(xué)性能的變化情況。根據(jù)有限元軟件分析情況對(duì)主要節(jié)點(diǎn)以及桿件進(jìn)行編號(hào)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為：吊點(diǎn)、1、2；桿件編號(hào)為：Ⅰ～Ⅳ。對(duì)主要關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)以及桿件進(jìn)行受力計(jì)算分析，得出其在單片桁架翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的受力變化以及上升起吊過(guò)程中的受力狀態(tài)。具體節(jié)點(diǎn)與桿件位置如圖1所示。

節(jié)點(diǎn)1為上弦桿的中點(diǎn)，位于兩吊點(diǎn)之間，其撓度變化曲線隨著翻轉(zhuǎn)角度的增加而減少。由于單片桁架在水平放置時(shí)增設(shè)了墊塊，減少平面外的撓度，故其撓度為0 mm。在單片桁架翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，隨著桁架的翻轉(zhuǎn)，荷載所在平面內(nèi)的剛度逐漸增大，受力亦發(fā)生變化。由于桁架水平放置時(shí)設(shè)置墊塊，故節(jié)點(diǎn)1的撓度為0；當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度為10°時(shí)，桁架脫離墊塊，此時(shí)荷載所在平面內(nèi)的剛度最小，節(jié)點(diǎn)1的撓度最大；隨著翻轉(zhuǎn)角度的增加，荷載所在平面內(nèi)剛度增加，節(jié)點(diǎn)1撓度逐漸減小，其撓度隨翻轉(zhuǎn)角度的變化如圖5所示。節(jié)點(diǎn)2為單片桁架下弦桿上兩節(jié)點(diǎn)，其受力形態(tài)類似于節(jié)點(diǎn)1，由于其不處在跨中，所以其撓度相對(duì)節(jié)點(diǎn)1較小，如圖6所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)1撓度變化曲線Fig．5DeflectioncurveofpointNo．1圖6 節(jié)點(diǎn)2撓度變化曲線Fig．6DeflectioncurveofpointNo．2

桿件Ⅰ為桁架下弦桿，在翻身起吊過(guò)程中，由平面外受力轉(zhuǎn)為平面內(nèi)受力。通過(guò)吊裝過(guò)程的受力分析，桿件Ⅰ中部受力較大，其應(yīng)力隨著翻轉(zhuǎn)角度的變化逐漸變小，如圖7所示。桿件Ⅱ與桿件Ⅲ為桁架的腹桿，與吊點(diǎn)直接相連，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，其受力隨著翻轉(zhuǎn)角度的增大而增大，由于吊索與桁架上弦桿有一定的夾角，吊索會(huì)對(duì)吊點(diǎn)產(chǎn)生平行于桁架長(zhǎng)度方向的水平力，在該水平力單獨(dú)作用下，桿件Ⅲ受拉，桿件Ⅱ受壓，故在吊裝過(guò)程中，桿件Ⅲ的拉應(yīng)力會(huì)大于桿件Ⅱ。桁架完全翻轉(zhuǎn)完畢后桿件Ⅱ、Ⅲ的應(yīng)力達(dá)到最大，由于其應(yīng)力與翻轉(zhuǎn)角度關(guān)系如圖8、圖9所示。

桿件Ⅳ為桁架上弦桿，隨著翻轉(zhuǎn)角度的增加，其應(yīng)力先增大后減小，應(yīng)力最大值處于吊點(diǎn)處。當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度為10°～50°時(shí)應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為40.71 MPa。當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度達(dá)到90°后，桁架轉(zhuǎn)為平面內(nèi)受力，桿件Ⅳ的最大應(yīng)力減小，如圖10所示。

圖7 桿件Ⅰ應(yīng)力變化曲線Fig．7StresscurveofmemberNo．Ⅰ圖8 桿件Ⅱ應(yīng)力變化曲線Fig．8StresscurveofmemberNo．Ⅱ

圖9 桿件Ⅲ應(yīng)力變化曲線Fig．9StresscurveofmemberNo．Ⅲ圖10 桿件Ⅳ應(yīng)力變化曲線Fig．10StresscurveofmemberNo．Ⅳ

3.3 不同施工階段對(duì)桁架的力學(xué)性能影響

在港口工程鋼結(jié)構(gòu)廊道吊裝過(guò)程中，主要施工階段主要可以分為如下4個(gè)階段：(1)單片鋼桁架地面拼裝過(guò)程；(2)單片鋼桁架翻身起吊過(guò)程；(3)單片鋼桁架垂直起吊過(guò)程；(4)鋼桁架就位，臨時(shí)固結(jié)，以及高空拼裝過(guò)程。

11-a 單片桁架應(yīng)力云圖 11-b 單片桁架位移云圖圖11 翻轉(zhuǎn)角度為30°時(shí)，單片桁架分析結(jié)果Fig.11 Results of monolithic truss analysis for the turning angle of 30°

本文著重對(duì)(2)、(3)過(guò)程進(jìn)行了有限元分析，通過(guò)分析可知，在翻身起吊過(guò)程中，單片桁架由平面外受力逐漸變化為平面內(nèi)受力。在翻轉(zhuǎn)初始階段，其上下弦桿撓度較大，隨著翻轉(zhuǎn)角度的增加，其撓度變化逐漸減?。辉谡麄€(gè)吊裝階段，吊點(diǎn)處產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以與吊點(diǎn)相交的兩腹桿，隨著翻轉(zhuǎn)角度的增大，應(yīng)力增大。

12-a 單片桁架應(yīng)力云圖 12-b 單片桁架位移云圖圖12 翻轉(zhuǎn)角度為60°時(shí)，單片桁架分析結(jié)果Fig.12 Results of monolithic truss analysis for the turning angle of 60°

單片桁架翻轉(zhuǎn)角度較小時(shí)(小于30°)，桁架應(yīng)力主要集中在吊點(diǎn)處附近，由于在下弦桿設(shè)置墊塊，所以吊點(diǎn)附近區(qū)域內(nèi)撓度較小，主要撓度變形發(fā)生在桁架上弦桿兩端的平面外變形，如圖11所示。當(dāng)單片桁架翻轉(zhuǎn)角度在30°～60°時(shí)候，隨著單片桁架逐漸轉(zhuǎn)為平面內(nèi)受力，桁架上弦桿兩端的平面外變形減小，如圖12所示。

13-a 單片桁架應(yīng)力云圖 13-b 單片桁架位移云圖圖13 翻轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)，單片桁架分析結(jié)果Fig.13 Results of monolithic truss analysis for the turning angle of 90°

當(dāng)單片桁架翻身完畢，轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪鄙仙鸬蹼A段時(shí)，單片桁架完全轉(zhuǎn)為平面內(nèi)受力，由于設(shè)置吊點(diǎn)的緣故，與吊點(diǎn)相連的兩腹桿應(yīng)力較大。桁架跨中撓度與下弦桿邊的撓度較為接近，其變形符合吊點(diǎn)設(shè)置的要求，為桁架自重下的變形，如圖13所示。

綜上所述，單片桁架翻身吊裝過(guò)程是整個(gè)吊裝過(guò)程的關(guān)鍵，對(duì)于翻身階段的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的驗(yàn)算至關(guān)重要。

4 結(jié)論

本文結(jié)合長(zhǎng)江某港口工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)廊道的桁架吊裝為實(shí)例，對(duì)其吊裝過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，尤其是翻身吊裝階段，得出了以下結(jié)論：

(1)桁架平面外力學(xué)性能較差，吊點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)結(jié)合其受力分析考慮，并設(shè)置在受力以及撓度較小的桁架節(jié)點(diǎn)處。

(2)單片桁架水平放置時(shí)，應(yīng)考慮桁架自重作用下的平面外受力特點(diǎn)，增設(shè)支座，以減小平面外彎矩的產(chǎn)生，在實(shí)際施工中采用木墊塊等方式進(jìn)行設(shè)置。

(3)在單片桁架吊裝翻身階段，桁架上弦桿端等部位撓度以及應(yīng)力較大，應(yīng)根據(jù)方案的需要設(shè)置臨時(shí)支撐以及局部的加固處理，以保證桁架吊裝的整體穩(wěn)定性。

(4)桁架翻身吊裝過(guò)程，是整個(gè)桁架吊裝的關(guān)鍵過(guò)程，進(jìn)行翻身階段的力學(xué)計(jì)算對(duì)保證整個(gè)桁架的吊裝方案的安全性與合理性至關(guān)重要。

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