黃佩兵

（中國(guó)電建集團(tuán)江西省水電工程局有限公司，南昌330096）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平的提升，各種造型新穎、受力復(fù)雜的大跨度鋼結(jié)構(gòu)層出不窮。而鋼管結(jié)構(gòu)的對(duì)稱截面形式使得截面慣性矩對(duì)各軸相同，有利于單一桿件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，同時(shí)截面的閉合提高了抗扭剛度[1]。因此，鋼管桁架因其承載能力大、外形可塑性強(qiáng)和外表美觀等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞，在工程中應(yīng)用越來越廣泛。

在鋼管桁架施工時(shí)，為減少高空安裝工作量，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，施工單位越來越多地采取整體（分段）吊裝方案。鋼管桁架在整體（分段）吊裝時(shí)，吊裝節(jié)點(diǎn)的受力形式、大小及復(fù)雜程度與原設(shè)計(jì)大不相同，因此有必要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算。

然而，在工程實(shí)踐中，工程技術(shù)人員在編制大跨度鋼管桁架吊裝方案時(shí)，在場(chǎng)地布置、鋼絲繩受力計(jì)算、吊機(jī)選型及其工況選擇等方面描述比較詳細(xì)，但往往忽視了吊裝狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算[2]。且吊裝節(jié)點(diǎn)往往構(gòu)造復(fù)雜，其穩(wěn)定性分析計(jì)算過程繁雜，因此經(jīng)常被技術(shù)人員放棄。技術(shù)人員僅憑經(jīng)驗(yàn)或粗略計(jì)算判斷其穩(wěn)定性是否滿足要求，是否需要采取加固措施。在重量達(dá)數(shù)十噸甚至上百噸的大跨度鋼管桁架吊裝中，吊裝節(jié)點(diǎn)的局部穩(wěn)定性計(jì)算的缺失將給吊裝過程帶來很大的安全隱患。

本文以某鋼管桁架整體吊裝工程為例，介紹吊裝節(jié)點(diǎn)受力的有限元分析過程。通過對(duì)吊裝節(jié)點(diǎn)受力進(jìn)行有限元分析，全面準(zhǔn)確地獲取其各部位的應(yīng)力值及變形值，從而判斷其局部穩(wěn)定性是否滿足要求，為是否應(yīng)采取加固措施提供理論依據(jù)。

1 鋼管桁架吊裝特點(diǎn)

某電廠輸煤棧橋工程中，一鋼管桁架吊裝單元主要含2榀鋼管桁架、底部鋼梁和頂部鋼管，圖1所示為單元組成，其總質(zhì)量約為58 t。鋼管桁架高度4 000 mm，桁架安裝就位后與水平面的夾角為14°，兩榀桁架間距8 900 mm，底部鋼梁和頂部鋼管間距3 000 mm左右。鋼管桁架上、下弦桿為φ351 mm×16 mm鋼管，兩端桿為HW350×350×12×15熱軋H型鋼，腹桿為φ168 mm×10 mm～φ299 mm×16 mm鋼管，底部鋼梁為HM488×300×11×18熱軋H型鋼，頂部水平鋼管為φ273 mm×12 mm，材質(zhì)均為Q345B。上、下弦桿與腹桿之間采用鉸接方式連接。

圖1 鋼管桁架單元組成

該鋼管桁架單元采用450 t履帶吊吊裝，如圖2所示，4根鋼絲繩兜繞在上弦鋼管節(jié)點(diǎn)處，每根鋼絲繩由雙股組成。鋼絲繩長(zhǎng)度按鋼管桁架單元就位時(shí)的狀態(tài)（桁架與水平面的夾角為14°）配置，鋼絲繩兜繞位置及方式如圖3所示。

圖2 鋼管桁架單元吊裝

圖3 鋼管桁架吊裝節(jié)點(diǎn)

2 吊裝節(jié)點(diǎn)受力分析

為簡(jiǎn)化有限元分析模型，首先采用模擬鋼管桁架整體吊裝的方式，在3D3S軟件中建立鋼管桁架單元計(jì)算模型，精確獲得吊裝節(jié)點(diǎn)的受力情況。吊裝節(jié)點(diǎn)受力分析前，先求出鋼管桁架單元的重心，然后在重心的豎直線上設(shè)置鉸支座，鉸支座位置實(shí)際上就是履帶吊的吊鉤位置。

采用3D3S軟件對(duì)鋼管桁架單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，采用一般的線性分析。鋼管桁架吊裝時(shí)，由于恒荷載與活荷載（如施工平臺(tái)重量）均不會(huì)發(fā)生變化，因此工況組合采用1.0×恒荷載+1.0×活荷載。通過3D3S軟件分析計(jì)算可知，圖3所示的吊裝節(jié)點(diǎn)位置鋼絲繩受力最大，該節(jié)點(diǎn)處上弦桿上側(cè)承受拉力14.5 kN，上弦桿下側(cè)承受拉力73.8 kN，斜腹桿承受拉力98.1 kN，豎腹桿承受拉力35.0 kN，頂層鋼管承受壓力-56.7 kN，鋼絲繩承受拉力187.7 kN，詳細(xì)情況如圖4所示。由于鋼絲繩兜繞在上弦桿上，對(duì)鋼管產(chǎn)生三向分力，且鋼絲繩作用點(diǎn)距節(jié)點(diǎn)距離較大，因此對(duì)鋼管產(chǎn)生較大的二向彎矩。同時(shí)，鋼絲繩將對(duì)鋼管徑向（下半圈）產(chǎn)生擠壓，引起鋼管表面的壓應(yīng)力，而該處鋼管內(nèi)無加勁板。綜上所述，吊裝節(jié)點(diǎn)位置不僅三向受力，而且還承受剪力、壓力、彎矩和局部壓力，受力情況比較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的理論計(jì)算很難全面、精確獲得節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和變形的信息。

圖4 吊裝節(jié)點(diǎn)受力

因此，技術(shù)人員決定采用有限元分析軟件對(duì)吊裝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維仿真建模并進(jìn)行受力分析，獲取節(jié)點(diǎn)位置的鋼管（板件）的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)。以便根據(jù)分析結(jié)果，有針對(duì)性地采取相關(guān)措施，防止鋼管桁架單元吊裝過程中鋼絲繩對(duì)上弦桿造成損傷和節(jié)點(diǎn)失穩(wěn)等問題的發(fā)生，從而保證吊裝過程的安全。

3 有限元分析模型建立

由于已知吊裝節(jié)點(diǎn)受力情況，因此可以簡(jiǎn)化有限元分析模型，僅建立吊裝節(jié)點(diǎn)的有限元分析模型。采用ANSYS Workbench軟件建模，上弦桿為φ351 mm×16 mm鋼管，斜腹桿為φ168mm×10mm鋼管，直腹桿為φ299 mm×16 mm鋼管，頂部水平鋼管為φ273 mm×12 mm，模型中上弦鋼管長(zhǎng)度為2 m（節(jié)點(diǎn)交匯點(diǎn)兩側(cè)各1 m），其他鋼管長(zhǎng)度均為1 m。節(jié)點(diǎn)板規(guī)格和尺寸如圖4所示，材質(zhì)均為Q345B鋼。本次分析中，抗拉強(qiáng)度選取下限值470 MPa。由于本次主要研究對(duì)象為桁架吊裝節(jié)點(diǎn)，鋼絲繩不做為分析目標(biāo)，因此將鋼絲繩材料設(shè)置為近剛體以方便計(jì)算。建成后的節(jié)點(diǎn)三維模型如圖5所示。

圖5 三維模型

由于四面體網(wǎng)格劃分方法可以對(duì)任意幾何體劃分四面體網(wǎng)格，在關(guān)鍵區(qū)域可以使用曲率和近似尺寸功能自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格，也可以使用膨脹細(xì)化實(shí)體邊界附近的網(wǎng)格[3]，因此以20 mm為基準(zhǔn)，軟件進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分

結(jié)合ANSYS Workbench的功能，建立如下邊界條件：鋼絲繩邊界按固定考慮，固定端采用線約束，主管兩端邊界均為自由端，所有支管邊界均為自由端[3]。因此，在鋼絲繩與鋼管、連接板件間分別創(chuàng)建綁定接觸，鋼管、連接板件間采用共節(jié)點(diǎn)連接。吊裝節(jié)點(diǎn)受力如圖4所示，將節(jié)點(diǎn)中各向內(nèi)力均勻施加到相應(yīng)的鋼管截面網(wǎng)格上，并約束鋼絲繩，如圖7所示。

圖7 模型施加內(nèi)力

4 有限元分析結(jié)果

通過ANSYS Workbench分析可知，遠(yuǎn)離吊點(diǎn)側(cè)和近吊點(diǎn)側(cè)外表面應(yīng)力均未超過屈服值345 MPa，如圖8所示。鋼絲繩位置兩側(cè)對(duì)應(yīng)的鋼管內(nèi)壁部位發(fā)生局部屈服現(xiàn)象，應(yīng)力最大值達(dá)380.72 MPa，如圖9所示。同時(shí)，吊裝節(jié)點(diǎn)以鋼絲繩部位為軸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，遠(yuǎn)端最大位移為7 mm，鋼絲繩加載位置的內(nèi)、外壁上無明顯位移，其表面變形在0.8 mm以內(nèi)，如圖10～11所示。

圖8 鋼管外表面應(yīng)力分布

圖9 鋼管內(nèi)表面應(yīng)力分布

圖10 鋼管外表面變形分布

圖11 鋼管內(nèi)表面變形分布

5 吊裝節(jié)點(diǎn)加固

鋼管桁架單元整體吊裝時(shí)，由于鋼絲繩兜繞在上弦桿上，因此鋼管下半圈受到鋼絲繩的擠壓作用，造成其兩側(cè)對(duì)應(yīng)的鋼管內(nèi)壁部位發(fā)生局部屈服現(xiàn)象。雖然其最大應(yīng)力值超標(biāo)不多，變形量也不大，但如果不采取措施對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，就可能存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)鋼管內(nèi)、外表面應(yīng)力分布情況，為分散鋼絲繩兩側(cè)的鋼管內(nèi)壁應(yīng)力，在鋼絲繩兜繞位置（鋼管下半圈）外襯一塊弧形補(bǔ)強(qiáng)板（如厚度12 mm，寬度120 mm），點(diǎn)焊在鋼管上，補(bǔ)強(qiáng)板內(nèi)弧度與鋼管相吻合，寬度對(duì)稱于鋼絲繩布置，遇到節(jié)點(diǎn)板時(shí)開槽口避開。

6 實(shí)施效果

該鋼管桁架采用整體吊裝方案完成安裝，方案編制階段采用有限元分析軟件對(duì)吊裝節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、變形等進(jìn)行了分析計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固，吊裝過程中對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范要求，施工安全得到了有效保證。

7 結(jié)束語

在編制大型鋼管桁架吊裝方案時(shí)，為保證吊裝過程的安全，工程技術(shù)人員不僅應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，而且還應(yīng)對(duì)吊裝節(jié)點(diǎn)的局部穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。由于對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析工作量較大，因此可以采用上述簡(jiǎn)化的節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行有限元分析，首先計(jì)算出吊裝節(jié)點(diǎn)的各向內(nèi)力，然后建立吊裝節(jié)點(diǎn)的三維模型，利用有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，全面準(zhǔn)確地獲取吊裝節(jié)點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力和變形情況。當(dāng)然，也可以通過Solidworks三維繪圖軟件更方便快捷地建立完整的吊裝單元實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力、表面變形進(jìn)行分析[4-5]，從而得到更精確的計(jì)算結(jié)果。技術(shù)人員可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)受力有限元分析結(jié)果決定是否需要采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施，從技術(shù)方面規(guī)避大型鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，確保吊裝順利進(jìn)行。