趙王軍

中國能源建設(shè)集團湖南火電建設(shè)有限公司 湖南長沙 410015

近幾年來，國內(nèi)大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架類型建筑結(jié)構(gòu)體系由于自重輕、強度大、施工工期短等獨特優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到各個行業(yè)，其造型越來越新穎，規(guī)模越來越大。大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計制造體系已比較成熟全面，但由于自身結(jié)構(gòu)和外部因素影響，吊裝過程中容易發(fā)生失穩(wěn)、變形、局部破壞等，其安全、經(jīng)濟效益?zhèn)涫荜P(guān)注，因而合理的吊裝方案顯得尤為重要。

目前國內(nèi)大跨度、大噸位鋼桁架的安裝一般采用高空散拼成形、整體吊裝、整體提升及整體頂升、分段吊裝高空拼接、高空滑移等方法，分為跨內(nèi)吊裝和跨外吊裝。以下結(jié)合南車株洲大功率半導(dǎo)體器件IGBT 產(chǎn)業(yè)化建設(shè)項目201 主廠房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋吊裝工程，對工程中大型構(gòu)件吊裝方式、吊點布置，以及構(gòu)件強度、剛度和穩(wěn)定性等問題進行分析。

1 工程概況

南車株洲大功率半導(dǎo)體器件IGBT 產(chǎn)業(yè)化建設(shè)項目201 主廠房鋼結(jié)構(gòu)屋面工程，位于湖南株洲時代電氣城地塊的北側(cè)。屋蓋采用鋼結(jié)構(gòu)體系，屋蓋長72m，寬72m。沿橫向共設(shè)9 道主桁架，支撐于鋼筋混凝土柱牛腿上。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用空間桁架結(jié)構(gòu)，主桁架為三角形桁架，沿橫向布置，共9 片，高度為4m，支撐于下部方管立柱上，桁架下弦與柱頂鉸接。主桁架主要材料為上弦HW300×300×10×15 型鋼，下弦為HW300×300×10×15（中間加強型為HW400×400×13×21），腹桿為HW250×250×9×14 型鋼，沿縱向設(shè)置HW200×200×8×12 型鋼斜支撐。主桁架間橫向設(shè)置PD121×5 圓管系桿支撐，下部為9 根方鋼管柱支撐，方管徑為BOX450×18 與BOX462×30 兩種。每品主桁架分為三段制作，拼接處采用高強度螺栓固定施焊，在工廠進行整體預(yù)拼裝、校正后分三段運輸至現(xiàn)場。

每品主桁架（屋架蓋）尺寸為72m×0.3（0.4m）×4.4m，重約32t，吊裝高度24.99m。廠房剖面圖如圖1所示。

圖1 主廠房剖面圖

2 吊裝方案選擇

通過綜合分析該工程的具體情況，結(jié)合各種吊裝方法的特點和優(yōu)缺點，并考慮現(xiàn)有的機械設(shè)備情況、施工工期要求，認(rèn)為整體提升或整體頂升難以適用該工程如此大跨度和大噸位的屋蓋系統(tǒng)。而高空散拼需耗用大量的支撐架體材料，占用施工工期長，高空焊接量十分大，且施工風(fēng)險較大，整體滑移不具體條件。如果采用一次性整體吊裝，可大大縮短安裝工期，且廠房FS 排外側(cè)場地平整寬大，地基基礎(chǔ)較好，對大型吊機及屋架地面組合非常有利。因項目主廠房主體結(jié)構(gòu)等都已成型，屋蓋下部三樓樓面多處立柱、設(shè)備基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，場地狹小，構(gòu)件難以擺放，且主廠房周圍已封閉，構(gòu)架難以進入。如若主廠房不封閉，混凝土結(jié)構(gòu)中將涉及大量的節(jié)點預(yù)留及后期的連接處理，造成大量的后續(xù)工程難以實施，工期難以保證。綜上所述，認(rèn)為采用跨外吊裝施工方案較為合適。

2.1 力學(xué)分析

在確定采用“鋼桁架就地拼裝，整體翻邊整體吊裝”技術(shù)路線后，如何選擇吊點（包括吊點的數(shù)量和分布），如何保證吊裝、翻邊過程中鋼構(gòu)件不發(fā)生平面外失穩(wěn)，是吊裝過程中重點考慮和解決的問題。

大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)可簡化成一平直的簡支梁結(jié)構(gòu)，要吊裝到設(shè)計標(biāo)高與兩柱頭鏈接，其吊點的選擇和吊點的分布要保證起吊后的梁在自重作用下兩端軸向相對變形等于或接近零，這樣吊裝到設(shè)計位置的梁才能準(zhǔn)確就位，不會超長也不會縮短。

一般來說，吊點的布置要考慮以下幾點：

（1）吊點要在桁架的重心之上，這樣起吊后不會因頭重腳輕而傾覆；

（2）吊點不能過于接近，否則容易使桁架兩端變形過大，這樣會導(dǎo)致拼接的時候無法到位；

（3）吊點的選擇應(yīng)該使鋼桁架的變形[1]和彎矩分布比較均勻，且數(shù)值較小。

參考文獻[2]，四吊點方案比兩吊點方案構(gòu)件受力狀況大大改善，從而可提高鋼桁架吊裝過程的平面外穩(wěn)定性。也可將有限元分析方法應(yīng)用于桁架吊裝，根據(jù)吊點約束數(shù)量，在所有節(jié)點變量空間里面進行組合計算，通過計算得到的內(nèi)力結(jié)果計算桁架的應(yīng)變能。對不同的應(yīng)變能結(jié)果進行排序，得到最小的應(yīng)變能，這時結(jié)構(gòu)單元的桿件內(nèi)力和節(jié)點位移都處于一個較合理的狀態(tài)，吊點約束組合就可以認(rèn)為是最佳吊點組合。主桁架在吊裝狀態(tài)下的變形如圖2 所示。

圖2 桁架四個吊點下的變形圖

根據(jù)以上原則并參考文獻[2]，此桁架吊裝最終確定4 個主力吊點、2 個輔助吊點（輔助吊點只要消除2號吊點外側(cè)鋼構(gòu)件自身重力所產(chǎn)生的變形），吊點處于桁架節(jié)點位置，如圖3 所示。通過同濟大學(xué)3D3S 軟件計算校核，各桿件內(nèi)應(yīng)力、變形、局部、整體穩(wěn)定性符合要求。

圖3 桁架吊裝吊點及鋼絲繩捆綁示意圖

2.2 初步校核

根據(jù)現(xiàn)場施工條件及周邊吊車起重量，選擇一臺450t 履帶吊，其起重臂主臂48m，副臂66m，SWSL、主臂85°工況，64m 作業(yè)半徑；配140t 超起配重，超起半徑15m，采用100t 吊鉤，穿4 道鉤繩。此工況下起重機起重量為38.5t。而鋼桁架重約32t，吊鉤重1.2t，鋼絲繩及附件重約2t,合計35.2t＜38.5t ,其重量符合要求。鋼構(gòu)件支座高度為22.7m，通過模擬，證明起重高度符合要求。

2.2.1 鋼桁架翻邊

每品主桁架分三段制作，桁架拼接處采用高強度螺栓固定施焊，在工廠進行整體預(yù)拼裝校正后分三段運輸至現(xiàn)場?，F(xiàn)場拼裝采用臥式拼接法，先用枕木在預(yù)先平整的場地鋪設(shè)拼裝平臺并用儀器找平，拼裝平臺如圖4 所示。

圖4 鋼桁架梁拼裝平臺示意圖

拼裝平臺采用寬枕木組成，長4500mm。拼裝鋼梁時，先將14 個（或更多）平臺平放地面上，要求各平臺要在同一水平面上，然后將各段鋼桁架吊至平臺上拼裝，拼裝驗收完后進行翻邊起吊。

長寬比較大的桁架翻邊比較困難，稍有控制不當(dāng)，構(gòu)件就會發(fā)生平面外屈曲。翻邊過程也要控制構(gòu)件各部分內(nèi)應(yīng)力和變形在允許范圍之內(nèi)，可利用應(yīng)變能法進行建模分析。此桁架采用450t 履帶吊加2 臺25t 汽車吊輔助翻邊，以減少構(gòu)件由于自重引起的大變形。輔助吊點選擇在離構(gòu)件端部17.5m 處，見圖5。

圖5 鋼桁架翻遍現(xiàn)場圖

2.2.2 吊裝過程中主桁架強度、穩(wěn)定性分析

（1）整體強度：將整個主桁架看作一個剛體，考慮吊裝過程較為緩慢，可以將桁架受力狀態(tài)近似為靜力狀態(tài)。分析得到主桁架最大彎矩在吊點2 處，主桁架在吊裝狀態(tài)下的彎矩如圖6 所示。根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)的彎矩圖，可計算出上下弦桿件中的最大拉壓應(yīng)力，主桁架上下弦均采用HW300×300×10×15 型鋼，通過計算最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力。桁架中剪力主要由腹桿承擔(dān)，根據(jù)計算校核也滿足要求。

圖6 鋼桁架彎矩圖

（2）局部強度：通常情況下，被吊桁架整體破壞的可能性較小，最容易出問題的往往在構(gòu)件節(jié)點處。比如，吊裝節(jié)點處構(gòu)件局部應(yīng)力過大而導(dǎo)致局部屈曲破壞，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞。在此次主桁架吊裝中，吊點承受的豎向力主要作用在主桁架上弦型鋼上表面處。吊裝時如果用鋼絲繩捆綁在在吊點處，必然引起上弦桿的綁扎處應(yīng)力集中，且上弦桿為型鋼，捆綁難度較大，軸向中心又不容易重合。根據(jù)此情況，特在上弦桿上表面設(shè)計制作吊耳（圖7），使豎直分力傳至腹桿；也可采用提高綁扎面寬度的方法，從而大大降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外，在型鋼上下翼緣之間設(shè)置加強筋，可大大提高局部強度。

圖7 吊點處吊耳制作圖

（3）整體穩(wěn)定性：在制定吊裝方案時，不能僅憑經(jīng)驗確定大跨度桁架結(jié)構(gòu)的吊點及其分布，必須通過必要的分析和計算來確定。最重要的是在起吊過程中，桁架在保證平面內(nèi)穩(wěn)定條件下不發(fā)生平面外失穩(wěn)。平面內(nèi)穩(wěn)定主要是驗算桁架的單個構(gòu)件不失穩(wěn)或不發(fā)生強度破壞，且在設(shè)計階段已考慮。平面外失穩(wěn)是一個整體失穩(wěn)破壞，與吊點的多少和分布有密切關(guān)系。且吊點越多，越不會發(fā)生平面外失穩(wěn)。此次桁架吊裝，4 個吊點處均有軸向?qū)ο蛄Γ▓D8），鋼絲繩拉力會產(chǎn)生垂直分力和水平分力。

此大跨度桁架由于是細長比較大的構(gòu)件，軸線力可產(chǎn)生彎曲變形，側(cè)向穩(wěn)定性不好，桁架容易失穩(wěn)。桁架平面外穩(wěn)定性可通過壓桿穩(wěn)定性計算臨界壓力來校核。

圖8 桁架吊裝簡圖

在施工過程中，為防止鋼桁架在翻邊、吊裝時發(fā)生側(cè)向彎曲變形失穩(wěn)，有兩種解決方法：一是制作扁擔(dān)梁，消除桁架軸向力；二中對桁架側(cè)向進行加固。通過各方面分析對比，側(cè)向加固的方法比較合理。具體施工如下：在桁架跨中約1/ 3 處，高度方向1/ 4、3/ 4 處側(cè)向固定兩根長30m 的I36a 工字鋼，并采用抱箍固定在桁架腹桿上,以強化桁架側(cè)向穩(wěn)定性。

綜上所述，為了安全，桁架在翻邊起吊時必須嚴(yán)格控制起吊速度，以防止產(chǎn)生額外動載荷，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3 結(jié)論

南車主廠房鋼桁架于2012 年2 月按照施工方案進行施工，按照從右到左順序吊裝，9d 吊裝安裝完成。根據(jù)本工程實例淺談大跨度鋼桁架翻邊吊裝，從選擇吊點數(shù)量與布置，起重機械根據(jù)施工現(xiàn)場情況確定，到桁架整體平面內(nèi)及平面外穩(wěn)定性，以及桁架整體、吊點節(jié)點局部強度等各方面考慮分析，為相關(guān)大寬度桁架吊裝提供參考。