西院落保護(hù)棚36 m大跨鋼箱梁吊點(diǎn)位置分析

馬智剛，曹丙山，蔡澤帥，江棗

（1. 清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100084；2. 北京市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，北京100045）

1 引言

太子城遺址公園工程是北京冬奧會相關(guān)重點(diǎn)工程，西院落保護(hù)棚是本項(xiàng)目的重要建筑物。保護(hù)棚采用大跨度鋼框架結(jié)構(gòu)，將遺址進(jìn)行遮蔽保護(hù)，外立面采用雪花格柵表示宮墻飄雪意向，強(qiáng)調(diào)了太子城遺址的皇家行宮性質(zhì)，建筑效果如圖1所示。

本工程結(jié)構(gòu)主體采用鋼框架，框架最大跨度36 m，采用窄截面鋼箱梁，鋼箱梁尺寸為1000 mm×250 mm×30 mm×40 mm。結(jié)構(gòu)施工采用350 t 汽車吊跨外吊裝施工，根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，鋼箱梁分段運(yùn)輸?shù)狡囱b場地，在現(xiàn)場拼裝成36 m 大梁，通過汽車吊將大跨鋼梁吊裝就位。

圖1 西院落保護(hù)棚建筑效果圖

分塊吊裝施工是大型鋼結(jié)構(gòu)工程常用的施工作業(yè)方式。吊裝施工過程中，構(gòu)件的受力狀態(tài)與構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中正常工作的受力狀態(tài)不同，因此，需要對吊裝過程中構(gòu)件的受力狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，以確保吊裝過程中，構(gòu)件處于安全狀態(tài)。大跨鋼梁吊裝施工時(shí)，其吊點(diǎn)數(shù)量和位置的不同，將造成構(gòu)件在吊裝過程中處于不同的受力狀態(tài)，如何合理確定吊點(diǎn)位置是需要深入分析的問題[1～3]。

2 計(jì)算及分析結(jié)果

2.1 計(jì)算模型

對本工程36 m 大跨度鋼箱梁進(jìn)行建模分析，分析軟件采用Midas-Gen。鋼箱梁采用梁單元進(jìn)行模擬，吊索采用只受拉索單元進(jìn)行模擬。鋼箱梁截面為1 000 mm×250 mm×30 mm×40 mm，材質(zhì)為Q355B，吊索截面直徑43 mm，公稱抗拉強(qiáng)度為1550MPa。鋼梁長度36 m，采用2 個(gè)吊點(diǎn)的布置方式，吊鉤距離鋼梁垂直距離為10 m。計(jì)算模型如圖2 所示，計(jì)算中僅考慮自重作用影響。

圖2 計(jì)算模型

當(dāng)?shù)觞c(diǎn)位于大跨鋼梁兩端時(shí)，鋼梁在吊裝時(shí)為兩端簡支梁，由于跨度大，跨中變形和應(yīng)力將比較大。當(dāng)兩端吊點(diǎn)離開端點(diǎn)一定距離時(shí)，吊裝過程中，鋼梁邊界條件變?yōu)橹虚g段支撐，兩端懸臂，梁的跨中變形和應(yīng)力將逐漸變小，同時(shí)懸臂段的變形和應(yīng)力將逐漸變大。因此，存在一個(gè)最優(yōu)吊點(diǎn)位置使中間段和懸臂段在吊裝過程中同時(shí)達(dá)到變形和應(yīng)力基本一致并處于較小狀態(tài)[4,5]。

2.2 吊點(diǎn)位置對箱梁變形的影響

以吊點(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)的距離L為變量，考慮吊點(diǎn)位置對鋼箱梁變形的影響，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 吊點(diǎn)位置與變形關(guān)系曲線

從圖3 看出，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)逐漸加大距離時(shí)，其懸臂段變形逐漸增加，由0 mm 逐漸增大到-35 mm，鋼梁跨中變形逐漸變小，由-72.5 mm 逐漸減小到2 mm。當(dāng)?shù)觞c(diǎn)距離端部節(jié)點(diǎn)約8.5 m 時(shí)，懸臂段鋼梁變形和跨中變形同時(shí)達(dá)到變形較小，約-2.5 mm。

2.3 吊點(diǎn)位置對箱梁彎矩和應(yīng)力的影響

以吊點(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)的距離為變量，考慮吊點(diǎn)位置對鋼箱梁彎矩和應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 吊點(diǎn)位置與彎矩關(guān)系曲線

從圖4 看出，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)逐漸加大距離時(shí)，其懸臂段負(fù)彎矩逐漸增加，由0 kN·m 逐漸加大到-600 kN·m，鋼梁跨中彎矩由正彎矩逐漸變化到負(fù)彎矩，其彎矩值由937 kN·m 逐漸變化到-550 kN·m。

圖5 吊點(diǎn)位置與應(yīng)力關(guān)系曲線

從圖5 看出，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)逐漸加大距離時(shí)，其懸臂段應(yīng)力逐漸增加，鋼梁跨中應(yīng)力先變小后增大。懸臂段應(yīng)力由0 MPa 逐漸增大到35.3 MPa，鋼梁跨中應(yīng)力，由55.1 MPa 逐漸減小到12 MPa，然后開始增大到32 MPa。當(dāng)?shù)觞c(diǎn)距離端部節(jié)點(diǎn)約8.5 m 時(shí)，懸臂段鋼梁最大應(yīng)力和跨中應(yīng)力同時(shí)達(dá)到較小，約12 MPa。

2.4 吊點(diǎn)位置對吊索應(yīng)力的影響

以吊點(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)的距離為變量，考慮吊點(diǎn)位置對吊索應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 吊點(diǎn)位置與吊索應(yīng)力關(guān)系曲線

從圖6 看出，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)逐漸加大距離時(shí)，其吊索應(yīng)力逐漸減小，由147.7 MPa 逐漸減小到76.3 MPa，吊索最大拉應(yīng)力允許值為1 550 MPa，吊索受力可以滿足要求。

3 結(jié)論

對本工程36 m 大跨度鋼箱梁的吊點(diǎn)位置進(jìn)行了分析，以吊點(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)的距離為變量，考慮吊點(diǎn)位置不同對大跨度鋼箱梁應(yīng)力、彎矩和變形的影響，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：

1）當(dāng)?shù)觞c(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)逐漸加大距離時(shí)，其懸臂段變形逐漸增加，鋼梁跨中變形逐漸變小，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)距離端部節(jié)點(diǎn)約8.5 m時(shí)，懸臂段鋼梁變形和跨中變形同時(shí)達(dá)到變形較小。

2）當(dāng)?shù)觞c(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)逐漸加大距離時(shí)，其懸臂段應(yīng)力逐漸增加，鋼梁跨中應(yīng)力先變小后增大。當(dāng)?shù)觞c(diǎn)距離端部節(jié)點(diǎn)約8.5 m 時(shí)，懸臂段鋼梁最大應(yīng)力和跨中應(yīng)力同時(shí)達(dá)到較小。

3）當(dāng)?shù)觞c(diǎn)距離端部節(jié)點(diǎn)約8.5 m 時(shí)（也即鋼梁長度36 m的1/4.2），鋼箱梁應(yīng)力和變形基本較??；這與吊裝施工的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)“吊點(diǎn)位置一般取構(gòu)件的1/3～1/4”是吻合的。