大型管桁架兩點起吊動力響應(yīng)分析

賈冬云，甘聰穎，趙 鋒，胡康翔，陶清林，金仁才(. 安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院；. 中國十七冶集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 4300)

大跨度空間管桁架的吊裝和整體提升等施工技術(shù)的應(yīng)用研究在保證施工階段的安裝精度方面起到重要作用[1]、[2]。通過對管桁架在吊運過程中的強度和穩(wěn)定性能模擬分析，方便查找最不利構(gòu)件，有效地保障了吊裝安全[3]-[4]。對單榀管桁架和雙拼管桁架的多點吊裝過程中關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力監(jiān)測，驗證了有限元模擬分析的積極作用[5]、[6]。本文結(jié)合某大型體育場頂蓋管桁架吊裝方案，分析和監(jiān)測起吊時管桁架的動力響應(yīng)和關(guān)鍵構(gòu)件的承載能力，確保施工的安全性。

1 工程概況

某大型體育場罩棚主體結(jié)構(gòu)為55榀徑向懸挑布置的變截面三管桁架，東西向長度為250 m，南北向長度為263 m。看臺上采用分叉柱支承，背面采用斜拉索平衡。體育場屋蓋結(jié)構(gòu)和典型單榀結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成見圖1。

圖1 整體鋼結(jié)構(gòu)

主桁架吊裝重量為35 t-56.7 t，采用一臺500 t履帶吊和一臺200 t履帶吊配合，實施場內(nèi)順時針方向單榀吊裝。首先利用軟件建模計算每榀主桁架重心點，根據(jù)重心點選擇吊點位置和配置吊繩長度，確保桁架吊裝狀態(tài)為最終設(shè)計狀態(tài)；然后采用雙根?46鋼絲繩(單根面積為1260 mm2，破斷力為1740 kN)捆綁上弦桿吊點處，采用37 t卡環(huán)固定；再采用?16鋼絲繩穩(wěn)定桁架吊裝過程中的姿態(tài)。采用全站儀和反光片測量桁架位置；待桁架吊裝就位，拉設(shè)纜風(fēng)繩臨時固定，焊接桁架底座和端頭與支撐臨時固定點，松鉤完成單榀桁架安裝。

2 管桁架起吊動力響應(yīng)分析

2.1 管桁架起吊的動態(tài)分析

管桁架起吊的瞬間，其自重以動荷載施加到結(jié)構(gòu)體，慣性效應(yīng)明顯。因此，采用動態(tài)分析模擬起吊，可以獲得結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的最不利響應(yīng)，判斷結(jié)構(gòu)吊裝安全性，從而指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

(1)通過靜力分析結(jié)果判斷吊點選取的合理性

將AutoCAD三維模型中ZHJ10、ZHJ12和ZHJ22三榀典型管桁架以igs文件導(dǎo)入ABAQUS，定義材料為Q345鋼材，采用理想線彈性本構(gòu)模型，容重為7850 kg/m3，彈性模量為2.06×105 MPa，泊松比為0.3，重力加速度為9.8 m/s2。根據(jù)設(shè)計截面賦予各構(gòu)件鋼管截面尺寸，并定義腹桿和吊索(非壓縮)為Truss單元，其他桿件為Beam單元。

利用管桁架模型查詢重心，將吊點位置設(shè)置重心在上弦桿投影位置的兩側(cè)。在吊點處設(shè)置吊索，下端與上弦桿綁定，上端設(shè)置固定約束支座。根據(jù)圖2中管桁架模型的靜力分析結(jié)果(以ZHJ12為例)發(fā)現(xiàn)：1)吊點所在節(jié)間的上弦桿的拉應(yīng)力、下弦桿的壓應(yīng)力、左側(cè)斜腹桿的拉應(yīng)力和右側(cè)斜腹桿的壓應(yīng)力較大(見圖2a)；2)所有節(jié)點的豎向變形均為向下變形(見圖2b)，表明結(jié)構(gòu)處于整體平衡狀態(tài)，吊點設(shè)置合理。

圖2 管桁架模型與靜力分析結(jié)果

(2)通過模態(tài)分析獲取充足特征模態(tài)數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)

定義線性攝動的頻率分析步，使用Lanczos特征值求解器求解前30個特征值，計算三榀管桁架的自振頻率和振型。除去剛體運動和局部振動模態(tài)，三榀管桁架在Z向起關(guān)鍵參與作用的是第8和9階振型，并且Z向主振型相似，見圖3(以ZHJ12為例)。

圖3 管桁架Z向主振型

從模態(tài)分析結(jié)果中提取三榀管桁架的Z向主振型對應(yīng)的自振頻率以及三個方向上有效質(zhì)量列入表1，可見X、Y和Z三個方向上的總有效質(zhì)量占模型質(zhì)量超過90%，保證了所采用的30階模態(tài)滿足后續(xù)動態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確表達(dá)。

表1 三榀管桁架模態(tài)分析結(jié)果

(3)通過動態(tài)分析獲取關(guān)鍵構(gòu)件的動力響應(yīng)峰值和關(guān)鍵點的應(yīng)力值

根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果初步判定吊點所在節(jié)間的上、下弦桿的拉、壓應(yīng)力和右側(cè)斜腹桿的壓應(yīng)力較大，從動態(tài)分析的時間歷程結(jié)果中提取這些關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力，繪制應(yīng)力-時間曲線尋找應(yīng)力峰值。管桁架關(guān)鍵構(gòu)件單元的應(yīng)力-時間曲線見圖4(以ZHJ12為例)。

圖4 管桁架應(yīng)力-時間曲線

由圖4可見：1)起吊后，關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在0.15 s附近，隨后震蕩逐漸減??；2)吊點處上弦桿上表面的拉應(yīng)力較大，下弦桿下表面的壓應(yīng)力較大；吊點右側(cè)節(jié)間的斜腹桿壓應(yīng)力較大。

從有限元分析結(jié)果中提取三榀管桁架的峰值處所對應(yīng)增量步的應(yīng)力和位移圖(見圖5)，該圖中所顯示的桿件應(yīng)力和位移是指截面形心軸處的數(shù)據(jù)，上、下弦桿的上、下表面應(yīng)力值與形心軸不同。

圖5 三榀管桁架峰值處的應(yīng)力和位移云圖

由圖5可見：1)三榀管桁架的軸向受力最不利桿件位置相同，吊點左側(cè)節(jié)間的斜腹桿拉應(yīng)力較大，右側(cè)節(jié)間的斜腹桿壓應(yīng)力較大；2)所有節(jié)點的豎向位移值均為向下，說明起吊時管桁架姿態(tài)平穩(wěn)，未發(fā)生懸臂端翹起現(xiàn)象。

為了與實測結(jié)果作對比，將關(guān)鍵構(gòu)件的有限元動態(tài)分析應(yīng)力σDF列入表2。

表2 管桁架起吊應(yīng)力實測值σT與有限元動態(tài)分析結(jié)果σDF對比

3 吊裝實測值與有限元結(jié)果對比分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，在三榀管桁架吊點附近關(guān)鍵構(gòu)件的中點布置應(yīng)變計，以獲取起吊時測點的應(yīng)力σT，判斷有限元模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。測點布置見圖6，應(yīng)變計在截面上的具體位置見圖7。

圖6 測點布置圖

圖7 測點應(yīng)變計位置

將管桁架起吊所獲取測點的應(yīng)變數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值σT列入表2，與有限元動態(tài)分析結(jié)果σDF作對比。由表2可見：1)三榀管桁架上弦桿吊點附近的測點1上表面拉應(yīng)力較大，斜腹桿測點5的壓應(yīng)力較大，其中最重的ZHJ12測試值分別達(dá)到106.484 MPa和-50.634 MPa，與材料強度設(shè)計值310 MPa的應(yīng)力比為34.35%和19.56%；其他構(gòu)件的應(yīng)力計算值與測試值均小于材料的強度設(shè)計值；2)有限元動態(tài)分析結(jié)果σDF與測試值σT相比，上弦桿上表面的誤差較大，但是小于15%；其他桿件的誤差均小于±10%。分析其原因，主要是起吊時履帶吊的振動引起上弦桿吊點附近局部振動產(chǎn)生了附件應(yīng)力，以及風(fēng)荷載等環(huán)境影響產(chǎn)生的誤差。

4 結(jié)論

通過應(yīng)用ABAQUS建立三榀管桁架吊裝模型，并采用模態(tài)分析獲取結(jié)構(gòu)主振型，再進(jìn)行動態(tài)分析模擬起吊時的瞬態(tài)響應(yīng)，輸出關(guān)鍵構(gòu)件的峰值應(yīng)力與實測值作對比，以判斷起吊時管桁架的動態(tài)承載性能和有限元分析的合理性，得到以下結(jié)論：

(1)采用有限元動態(tài)分析模擬管桁架起吊是可行的，計算結(jié)果與測試值較吻合；

(2)有限元動態(tài)分析模擬三榀典型管桁架起吊，所得動態(tài)承載性能滿足規(guī)范要求，該吊裝方案可行；

(3)在保證吊點精確、姿態(tài)平穩(wěn)和環(huán)境條件較好的情況下，單榀管桁架兩點起吊是一種便捷、高效的作業(yè)方式。