復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)屋頂徑向主梁的吊裝技術(shù)研究

邢耀安

（中鐵21局集團(tuán)有限公司第二工程公司,甘肅 蘭州 730000）

0 引言

吊裝技術(shù)作為建筑工程最為廣泛高效的豎向運(yùn)輸方式，不論是高層建筑還是大跨建筑結(jié)構(gòu)施工都有著廣泛的應(yīng)用，但也存在著一定的局限性，如施工難度大、難以保證施工質(zhì)量、容易發(fā)生安全事故等問題。在這樣的背景下，通過理論分析、結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，使得吊裝技術(shù)得以發(fā)展、應(yīng)用于施工困難和重大的工程中。

為研究復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)屋頂徑向主梁的最佳吊裝方法，學(xué)者們對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)吊裝技術(shù)做了較為詳盡的闡述。范基等[1]研究了1 800 t鋼閘室整體吊裝過程中液壓千斤頂同步提升技術(shù)。杜民和楊堃[2]研究了吊裝過程中的吊點(diǎn)數(shù)量、吊點(diǎn)位置及網(wǎng)架提升速度的同步性，對(duì)吊點(diǎn)數(shù)量與位置進(jìn)行了優(yōu)化。陳國(guó)棟等[3]利用數(shù)值分析軟件對(duì)吊裝的全過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的數(shù)值仿真模擬，深入分析了吊裝施工和不同的支撐拆卸過程的結(jié)構(gòu)受力情況。張冰[4]結(jié)合最小應(yīng)變能原理和一種目標(biāo)函數(shù)滿意度的方法實(shí)現(xiàn)了大跨度空間結(jié)構(gòu)吊裝施工的吊點(diǎn)優(yōu)化布置。羅堯治和董石麟[5]在MSTCAD的軟件平臺(tái)上新開發(fā)了吊裝施工模塊。高樹棟等[6]主要研究了桁架柱單機(jī)吊裝技術(shù)、雙機(jī)抬吊技術(shù)、主桁架3機(jī)吊裝等施工技術(shù)，最后總結(jié)了一整套主體結(jié)構(gòu)吊裝的安裝措施。劉學(xué)武等[7-8]提出一種可應(yīng)用于吊裝平衡系統(tǒng)的簡(jiǎn)化橢圓計(jì)算方法和優(yōu)化迭代算法，使得各吊索截面內(nèi)力相等。熊學(xué)煒[9]在多體動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)之上，提出了適用于數(shù)值仿真模擬的大型鋼結(jié)構(gòu)施工過程的方法策略和實(shí)施步驟。陳博文[10]利用MATLAB改進(jìn)了進(jìn)化規(guī)劃算法，通過后臺(tái)調(diào)用計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能，來尋求最優(yōu)吊點(diǎn)布局方案。左川等[11]研究了鋼結(jié)構(gòu)桁架分段位置、臨時(shí)支撐架布置及鋼結(jié)構(gòu)桁架分段吊裝施工工藝及方法。曹世偉等[12]詳細(xì)介紹了桅桿吊裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、施工方法及經(jīng)濟(jì)效益。劉松[13]主要研究了建模技術(shù)與仿真系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)，通過在實(shí)際工程中搭建了鋼結(jié)構(gòu)虛擬施工平臺(tái)的系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)了其吊裝施工過程的模擬。李偉男[14]通過對(duì)施工方案的比對(duì)和吊裝過程的模擬驗(yàn)算，得出不同吊裝方法的各自優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。彭儀普和朱鐸義[15]通過對(duì)大跨度超重懸挑鋼結(jié)構(gòu)分段吊裝法和整體吊裝法的吊裝效果進(jìn)行分析，研究結(jié)構(gòu)的根部和支撐桿受力情況。張輝[16]采用滑移法施工，克服了大型施工機(jī)械無法一次就位的問題，提高了施工效率。張盛華[17]通過理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)兩種不同的布點(diǎn)方式進(jìn)行了研究，為鋼梁的吊點(diǎn)選擇提供了理論支撐。潘劍峰等[18]在深基坑+大型鋼結(jié)構(gòu)的施工中，利用大型汽車吊在狹小的深基坑施工場(chǎng)地內(nèi)開展有序的安裝施工并進(jìn)行研究。呂永濤[19]通過理論分析得出了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不同的吊點(diǎn)位置對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體的影響，給出了最佳吊點(diǎn)位置的判別方法。吳亞芳[20]通過精準(zhǔn)控制施工過程中各道工序，順利完成了空間曲線造型鋼結(jié)構(gòu)吊裝。

由此可知，對(duì)于研究鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工技術(shù)和施工方法較為豐富，但都僅限于結(jié)合具體工程實(shí)例所得出的研究成果，難免有其天然的局限性。因此，通過具體工程，針對(duì)工程中特種形狀鋼構(gòu)件的吊裝定位并輔以有限元數(shù)值方法，給出了最不利吊裝構(gòu)件的合理吊裝方法。

1 工程概況

天水市麥積山景區(qū)游客服務(wù)中心總建筑面積為1.6萬(wàn)m2，為空間環(huán)形鋼架體系，工程鋼結(jié)構(gòu)用鋼量8 600 t，直徑跨度147 m，屋頂結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)標(biāo)高為23.3 m，平均高度17.4 m，鋼柱柱腳插入下部混凝土至基礎(chǔ)頂，整體鋼結(jié)構(gòu)包括內(nèi)圈環(huán)柱體系、外圈環(huán)柱體系，如圖1所示。屋頂徑向主梁最大跨度42 m，單根梁重達(dá)19 t，且全部為現(xiàn)場(chǎng)吊裝，工程結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，施工精度高、難度大。

2 屋頂徑向主梁吊裝技術(shù)研究

2.1 吊點(diǎn)位置的計(jì)算

主梁一般均為等截面構(gòu)件，假設(shè)其質(zhì)量均勻分布，基于此，對(duì)等截面構(gòu)架的理論吊點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算。

（1）單點(diǎn)起吊

單點(diǎn)起吊一般應(yīng)用于等截面柱，柱子的一端點(diǎn)與地面接觸，在柱身設(shè)置一吊點(diǎn)，對(duì)應(yīng)計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為一端懸臂的簡(jiǎn)支梁，如圖2所示。

圖2 單點(diǎn)起吊簡(jiǎn)圖

構(gòu)件自身承重為均布荷載，對(duì)于最佳吊點(diǎn)的選取，僅需取梁軸線內(nèi)正負(fù)彎矩絕對(duì)值相等，即MB=MC，且彎矩達(dá)到最小值。

圖2中，假設(shè)B點(diǎn)為最大正彎矩處，依據(jù)靜力平衡和B點(diǎn)剪力為零，計(jì)算得到：

由MB=MC，可得：

求解式（2）得到：

得到單點(diǎn)起吊的吊點(diǎn)位于構(gòu)件一端的0.293 l處。

（2）雙點(diǎn)起吊

雙點(diǎn)起吊對(duì)于吊點(diǎn)的位置確定也是以構(gòu)件正負(fù)彎矩絕對(duì)值最小為準(zhǔn)則，此時(shí)的吊繩一般位于構(gòu)件中心點(diǎn)的兩側(cè)，且對(duì)稱。計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化為兩端懸臂的簡(jiǎn)支梁，如圖3所示，此時(shí)只要確保MA=MB=MC，即可得到最佳吊點(diǎn)位。

圖3 雙點(diǎn)起吊簡(jiǎn)圖

從圖中可以看出，C點(diǎn)為最大正彎矩所在處，且x1=x2，根據(jù)靜力平衡可得A和B點(diǎn)的反力FA和FB，即可得到吊點(diǎn)處的2個(gè)彎矩MA和MB：

又有彎矩MC為：

將式（3）、式（4）代入到MA=MB=MC中，可得：

得到雙點(diǎn)吊裝的吊點(diǎn)理論位置處于距梁端點(diǎn)0.207 l處。

（3）三點(diǎn)起吊

三點(diǎn)起吊一般適用于長(zhǎng)度較大且截面較小的構(gòu)件。對(duì)于等截面細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件的三點(diǎn)吊裝技術(shù)，首先選取構(gòu)件中心處為一吊點(diǎn)，其余兩吊點(diǎn)選取在桿件中心的兩側(cè)，三點(diǎn)起吊的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 三點(diǎn)起吊簡(jiǎn)圖

圖4中3個(gè)吊點(diǎn)處的彎矩MA、MB和MC分別為：

式中：FA為A點(diǎn)的支座反力。彎矩MD和ME分別為：

式中：FB為B點(diǎn)的支座反力，xAB、xBC分別為AB跨與BC跨內(nèi)剪力為零的位置至端點(diǎn)O的距離。當(dāng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行三點(diǎn)吊裝時(shí)，根據(jù)式（6）-式（10）進(jìn)行組合計(jì)算，得到當(dāng)MA=MD=ME=MC時(shí)，結(jié)構(gòu)的彎矩極值最小，得到最佳吊點(diǎn)位置為：

且吊點(diǎn)的反力、約束位置均是對(duì)稱分布的。

（4）四點(diǎn)起吊

針對(duì)于等截面超長(zhǎng)構(gòu)件四點(diǎn)吊裝技術(shù)的研究，一般選取的4個(gè)吊點(diǎn)位于構(gòu)件中心兩側(cè)，如圖5所示為四點(diǎn)吊裝技術(shù)的理論位置和計(jì)算簡(jiǎn)圖。

圖5 四點(diǎn)起吊簡(jiǎn)圖

圖5中，4個(gè)吊點(diǎn)處的彎矩MA、MB、MC和MD分別為：

式中：FA和FD分別為A點(diǎn)和D點(diǎn)的支座反力。彎矩ME、MF和MG分別為：

式中：xAB、xBC和xCD為AB、BC和CD跨內(nèi)剪力為零位置處至端點(diǎn)O的距離。當(dāng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行四點(diǎn)吊裝時(shí)，根據(jù)式（11）-式（17），同時(shí)結(jié)合靜力學(xué)平衡進(jìn)行組合計(jì)算，得到當(dāng)MA=ME=MB=MC=MG=MD時(shí)，結(jié)構(gòu)的彎矩極值最小，求解得到：

此時(shí)，吊點(diǎn)的反力、約束位置均是對(duì)稱的。

2.2 屋頂徑向主梁的力學(xué)性能分析

最不利的單根屋頂徑向主梁安裝標(biāo)高為16.452～19.683 m，長(zhǎng)度為34.3 m。由于該構(gòu)件的長(zhǎng)度大，基于現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況，擬采用三點(diǎn)吊裝和四點(diǎn)吊裝，鋼梁截面為H型鋼，Q345B鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，截面尺寸為900 mm×400 mm×20 mm×25 mm，長(zhǎng)度取35 m。吊裝過程使用ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真模擬，桿件使用beam189梁?jiǎn)卧?/p>

（1）撓度

2種吊裝方法下最不利屋頂徑向主梁勻速上吊過程中的橫向變形如圖6所示。

圖6 鋼梁吊裝撓度圖

由圖可知，三點(diǎn)吊裝下，單根最不利屋頂徑向主梁的撓度為0.280 mm；四點(diǎn)吊裝下，單根最不利屋頂徑向主梁的撓度為0.130 mm。兩種方法下，變形都很小，均小于l/400=87.5 mm，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）[21]的要求。

（2）應(yīng)力

2種吊裝方法下最不利屋頂徑向主梁勻速上吊過程中的應(yīng)力如圖7所示。

圖7 鋼梁吊裝應(yīng)力圖

由圖可知，三點(diǎn)吊裝下，單根最不利屋頂徑向主梁的最大應(yīng)力為4.23 MPa，位于鋼梁上翼緣吊點(diǎn)處；四點(diǎn)吊裝下，單根最不利屋頂徑向主梁的最大應(yīng)力為2.75 MPa，位于鋼梁上翼緣吊點(diǎn)處。

3 結(jié)論

（1）等截面構(gòu)件單點(diǎn)吊裝的最佳理論吊點(diǎn)在主梁端的0.293 l處；雙點(diǎn)吊裝的最佳理論吊點(diǎn)位置在距離主梁兩端的0.207 l處；三點(diǎn)吊裝的理論位置在主梁的跨中位置和距離兩端的0.138 l處；四點(diǎn)吊裝的最佳理論位置在距離主梁兩端的0.104 l、0.396 l處。

（2）利用有限元軟件對(duì)單根最不利屋頂徑向主梁在三點(diǎn)吊裝和四點(diǎn)吊裝進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究得到在兩種吊裝方法下屋頂徑向主梁的橫向撓度均滿足規(guī)范要求。

（3）根據(jù)數(shù)值結(jié)果得到主梁的吊點(diǎn)處均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，但四點(diǎn)吊裝下主梁的力學(xué)性能優(yōu)于三點(diǎn)吊裝方法，為類似工程提供了一定的技術(shù)指導(dǎo)。