大跨度平面桁架翻身起吊施工

張弓

（太原市高速鐵路投資有限公司 山西太原 030000）

1 概況

本項目為火車站雨棚結(jié)構(gòu)，雨棚結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)部分由鋼柱、主次桁架、水平垂直支撐等次構(gòu)件組成，柱網(wǎng)為135m×241.5m平面分布，縱橫向各5跨，主桁架30榀，次桁架75榀，主次桁架為平面格構(gòu)式鋼桁架結(jié)構(gòu)，主桁架一榀最大跨度27m，次桁架一榀最大跨度53.3m，最大高度5.2m。整榀主次桁架均采用散件臥拼的方式在現(xiàn)場拼裝，拼裝完畢后再進行桁架整體翻身吊裝。所以對整榀桁架平面外剛度有較高的要求，此項尺寸控制直接影響鋼桁架的安裝尺寸，本文就此問題對桁架翻身施工結(jié)合ansys軟件給予有限元模擬分析。

2 翻身吊裝前的測控

桁架翻身吊裝前，首先需待桁架拼裝焊縫焊接完畢，超聲波探傷檢測完畢，焊縫合格后選用萊卡TC702全站儀進行整體測控，把控桁架的整體尺寸，保證拼裝尺寸，為翻身起吊后的尺寸偏差控制提供數(shù)據(jù)支持。按照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50205—2001）[1]表D.0.1的要求，拼裝尺寸需滿足表1的要求。

表1 梁、桁架預(yù)拼裝的允許偏差/單位：mm

3 翻身吊裝及變形量

本文以53.3m次桁架作為分析對象，桁架翻身采用2臺80t履帶吊進行雙機抬吊，桁架重量約16t，每個吊點吊裝重量約8t。根據(jù)整榀構(gòu)件的重心位置，在桁架兩側(cè)接近對稱位置選取兩個吊裝點，吊裝時80t履帶吊翻身下架工況：作業(yè)半徑12m，主臂25m，單機額定起重量為13.6t，吊裝采用6×37鋼絲繩，直徑39mm，重要吊裝安全系數(shù)取8，經(jīng)計算鋼絲繩允許拉力81kN，吊裝鋼絲繩夾角控制在60°左右，鋼絲繩長度7m左右。

按照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》表10.3.3的要求桁架側(cè)向彎曲矢高f，當30m＜l≤60m時允許偏差在l/1000，且應(yīng)≤30mm，由于工程設(shè)計桿件截面偏小、跨度較大、加工件累計偏差及現(xiàn)場拼裝誤差等諸多原因，實際工程中實測的桁架彎曲矢高遠超出規(guī)范值。

4 有限元工況模擬分析

按照3D空間坐標，在有限元ansys分析軟件中建立模型[2]，采用beam189單元模擬整個平面桁架，桁架上弦截面為方鋼300mm×250mm×12mm×12mm，下弦截面為方鋼 400mm×250mm×14mm×14mm，腹桿截面為方鋼 200mm×200mm×8mm×8mm、方鋼 180mm×180mm×6mm×6mm、方鋼150mm×150mm×5mm×5mm三種截面，采用link8單元模擬鋼絲繩，鋼絲繩直徑d=39mm，鋼絲繩斷面面積564.63mm2，計算采用MPa單位制，桁架下弦兩端節(jié)點釋放X軸旋轉(zhuǎn)自由度，其余約束，吊點綁扎位置釋放Y軸和Z軸自由度，其余約束，吊點釋放Y軸自由度，其余約束。

經(jīng)模擬計算，桁架從0°翻身到90°的過程中，當桁架旋轉(zhuǎn)到30°時平面變形最大，達到96mm，桁架最大應(yīng)力值136MPa，鋼絲繩最大軸向拉應(yīng)力140MPa，見圖1。此后桁架變形逐漸減小，旋轉(zhuǎn)到75°時變形已縮小到43mm，各工況應(yīng)力變形統(tǒng)計詳見表2。得出翻身的最不利工況為30°以下位置，故平面桁架臥拼時采用30°傾角拼裝時，直接有利于后期翻身變形的控制。

圖1 翻身30°工況吊裝驗算

表2 桁架翻身過程應(yīng)力變形統(tǒng)計

5 采取的吊裝加固措施

經(jīng)分析，整榀桁架在翻身過程中是一個力矩平衡的受力模型，兩個吊點的力矩與桁架自重反向力矩平衡，下弦位置受此力矩影響最大，兩側(cè)截面較大，跨中截面最小，此處變形也就最大，根據(jù)計算結(jié)果分析，跨中區(qū)域Y向變形＞Z向變形，這說明在翻身的過程中不僅有平面外的荷載，同時兩吊點不完全對稱，使得平面內(nèi)也有Y方向的變形，受力情況較為復雜，處于多重應(yīng)力疊加狀態(tài)。

根據(jù)以上分析，為了強化平面桁架的整體剛度，有效減小平面彎曲矢高，擬在吊裝的過程中控制上下弦的同步性，減少由于不平衡外力及力矩對跨中截面的彎曲作用。調(diào)整雙機抬吊吊點個數(shù)，桁架上弦每臺吊機四個吊裝點，在每個吊裝位置下弦增加2個固定點，用鋼絲繩及倒鏈固定，在吊裝前將倒鏈拉緊，吊機在緩緩翻身的過程中作業(yè)人員同步松掉倒鏈，待吊機吊裝翻轉(zhuǎn)到位松鉤，再將倒鏈取下。

6 模擬驗算

在采取以上吊裝加固措施后整榀桁架的彎曲矢高明顯減小，應(yīng)力也相應(yīng)更加趨于安全，利用ANSYS再次進行模擬計算，變形及構(gòu)件應(yīng)力情況見圖2。為簡化計算過程，模擬計算鋼絲繩和倒鏈均選用link8單元模擬。

圖2 翻身30°工況下弦加固吊裝驗算

另外經(jīng)模擬驗算，吊裝位置不完全對稱偏差、起重人員指揮不同步、雙機抬吊不完全同步等因素對于整個桁架的變形也有較大的影響，可以采用小型吊機輔助吊裝的方法，在上弦桿兩側(cè)節(jié)點及跨中節(jié)點施加10mm的強制位移，三個點的反力值分別為1.3t、6.9t、0.9t，可以安排兩側(cè)8t隨車吊，中部25t汽車吊配合吊裝施工，也是一種有效的減小彎曲矢高及構(gòu)件最大應(yīng)力的可行方案，吊裝驗算見圖3。

7 結(jié)束語

圖3 翻身30°工況改變吊點吊裝驗算

結(jié)合本工程的實際，大跨度平面桁架翻身吊裝是一個受力工況較為復雜的過程，構(gòu)件在力矩平衡的工況下跨度大、彎曲矢高較大，加之施工吊點的選取、上下弦受力的同步性、機具及人員作業(yè)偏差、桁架的拼裝尺寸等因素的影響，都會給整榀桁架的彎曲矢高帶來影響。本文通過軟件的模擬分析，找到了翻身過程中的最不利位置以及實際加固措施的方法，有效減小了彎曲矢高，保證構(gòu)件安裝尺寸滿足相關(guān)質(zhì)量要求，望能給類似工程以借鑒。