大型鋼桁架臨時(shí)支撐體系的數(shù)值模擬研究

徐福賓 肖 強(qiáng) 陳小良 彭 丹

(1.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院院務(wù)部，北京 100850； 2.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院管理處，北京 100048)

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大型鋼桁架臨時(shí)支撐體系的數(shù)值模擬研究

徐福賓1肖 強(qiáng)1陳小良1彭 丹2

(1.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院院務(wù)部，北京 100850； 2.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院管理處，北京 100048)

采用美國(guó)大型有限元計(jì)算軟件SAP2000，建立三維模型，對(duì)某博物館工程大型鋼桁架施工過(guò)程中的臨時(shí)支撐體系進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，計(jì)算了幾種不同荷載組合工況，得到了支撐架的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。

鋼桁架，臨時(shí)支撐體系，彈性桿件單元，數(shù)值模擬

0 引言

近年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)建筑迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的建筑采用鋼結(jié)構(gòu)形式。由于鋼桁架具有節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單、剛度大、幾何特性好、抗壓和抗扭性能好、施工簡(jiǎn)單、節(jié)省材料、有利于防銹與清潔維護(hù)以及可以應(yīng)用于跨度和載荷都比較大的建筑等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度建筑如博物館、體育館、人防指揮所等被廣泛采用，但是鋼桁架一般不能一次吊裝完成，需要臨時(shí)支撐以便拼裝。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)鋼桁架臨時(shí)支撐體系研究的不多，主要還停留在對(duì)施工方案是否合理、如何安裝吊裝以及如何焊接等施工技術(shù)和施工工藝上，對(duì)鋼桁架臨時(shí)支撐體系的受力分析研究少，理論嚴(yán)重滯后于實(shí)際應(yīng)用。

唐永杰等對(duì)超重大型鋼桁架進(jìn)行了研究，主要就超重、大型鋼桁架施工工藝進(jìn)行了分析和總結(jié)；

柏慶豐基于三維有限單元法建立了仿真分析模型，計(jì)算了分層搭設(shè)臨時(shí)支撐的安裝方法對(duì)應(yīng)工序的結(jié)構(gòu)反應(yīng)；

張衛(wèi)東對(duì)新沂河特大橋主橋臨時(shí)支撐體系進(jìn)行了探討，闡述了臨時(shí)支撐體系的使用原則和程序；

劉志強(qiáng)結(jié)合工程實(shí)際對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋面滑移施工中的臨時(shí)支撐進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并利用Midas Gen軟件進(jìn)行了驗(yàn)算，提出了臨時(shí)支撐設(shè)置要求；

褚世仙等結(jié)合實(shí)際工程在體育館鋼桁架施工期間，對(duì)臨時(shí)支撐體系進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，提出了臨時(shí)支撐體系安裝要求；

冉孟安以人防指揮大廳為例，對(duì)大型鋼桁架支撐系統(tǒng)的建造、安裝、拆除和加固等進(jìn)行了闡述，提出了一些施工時(shí)應(yīng)注意的要點(diǎn)和需采取的措施。

以上研究著重于施工技術(shù)和施工方案等施工環(huán)節(jié)，對(duì)大型鋼桁架支撐體系本身的受力研究不足。為此，本文采用SAP2000建立三維模型，對(duì)某博物館大型鋼桁架支撐體系的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究。

1 工程概況

某工程為一博物館，地下3層，地上8層，在2層頂部空間設(shè)置大跨度轉(zhuǎn)換桁架，如圖1所示，在軸,軸，軸,軸處分別布置有主桁架，共四榀，跨度39.6 m，主桁架上弦頂面標(biāo)高為11.27 m、下弦底面標(biāo)高為6.27 m，桁架上弦頂部與下弦底部高度為5 m。主桁架下弦桿間通過(guò)水平支撐和系桿連接，主桁架上弦桿間通過(guò)H型鋼梁連接。跨度達(dá)39.6 m的每榀主桁架重達(dá)160多噸。在⑤軸及⑥軸處即主桁架跨度三等分處設(shè)置縱向次桁架，共兩榀。

2 模型建立及支撐反力計(jì)算

計(jì)算軟件采用美國(guó)Computers And Structures公司研制開發(fā)的大型有限元計(jì)算程序SAP2000(V14版)，該軟件是集成化的通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件，具有完善、直觀和靈活的界面，包括全部Plus的功能，再加上動(dòng)力非線性時(shí)程反應(yīng)分析和阻尼構(gòu)材、減震器、Gap和Hook構(gòu)材等材料特性，它主要適用于分析帶有局部非線性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型采用空間三維實(shí)體模型，以鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范、吊裝規(guī)程等資料為依據(jù)。

為了進(jìn)行支撐體系的受力計(jì)算和分析，首先必須計(jì)算單榀桁架自重作用下支撐體系總的受力大小，然后提取支座反力施加到支撐架上。在建模時(shí)，桁架兩端框架柱采用固定支座進(jìn)行模擬、分段處支撐架采用鉸支座進(jìn)行模擬。計(jì)算過(guò)程中考慮了起吊安裝過(guò)程中的輕微的晃動(dòng)、起吊過(guò)程的加速等，將吊重乘以1.1的安全系數(shù)來(lái)考慮這些不利因素的影響。鋼桁架模型桿件選用兩節(jié)點(diǎn)、六自由度的Frame單元模擬，按彈性桿件單元考慮，該單元可以考慮拉(壓)、彎、剪、扭四種內(nèi)力的共同作用。經(jīng)SAP2000計(jì)算可知，如圖2所示，在桁架下弦分段處、支撐架支撐位置處所受的反力最大，為479.5 kN。

3 支撐架數(shù)值模擬分析

3.1 支撐架模型建立

支撐架材料采用Q235鋼，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=235 N/mm2。上部圓管支撐架每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)尺寸為1.5 m×1.5 m×3 m；下部圓管支撐架每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)尺寸為1.5 m×1.5 m×2 m；其中立桿采用φ168×8，腹桿φ89×5；節(jié)點(diǎn)采用法蘭連接，連接法蘭板板厚16 mm，其他節(jié)點(diǎn)板厚12 mm，頂部斜撐采用H型鋼制作，型號(hào)為H600×300×12×16。支撐架底部與地面鉸接，桿件之間的連接也為鉸接，支撐架計(jì)算模型和三維模型如圖3所示。

為有效增加-8.550 m樓層面的受荷面積，減小樓板面混凝土的承壓力，在-8.550 m樓層面上設(shè)置H型鋼轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，即上部圓管支撐架的底座，通過(guò)H型轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，將上下兩部分支撐架連接固定成一個(gè)整體。轉(zhuǎn)換鋼梁下部設(shè)置四個(gè)短柱與-8.600 m標(biāo)高樓層預(yù)埋板焊接固定。通過(guò)轉(zhuǎn)換鋼梁上翼緣與上部圓管截面支撐架連接固定，下部與樓層預(yù)埋板焊接固定，形成一個(gè)整體，轉(zhuǎn)換鋼梁底部與樓層面的間隙采用薄鐵塊、鋼板等填塞充實(shí)。如圖4所示，轉(zhuǎn)換梁采用截面為H300×200×8×10的H型鋼兩兩焊接而成。

3.2 支撐架受力分析

支撐架設(shè)計(jì)參數(shù)：支撐架最大高度為24.57 m，根據(jù)反力計(jì)算得出承受豎向力最大值為47.95 t(479.5 kN)；根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)考慮施工活荷載1 t(10 kN)；考慮水平推力1 t(10 kN)。支撐架驗(yàn)算及設(shè)計(jì)荷載工況及組合如下：DEAD：恒荷載(豎向479.5 kN、水平10 kN)，LIVE：活荷載(豎向10 kN)。荷載組合工況：DSTL1：1.35DEAD+0.98LIVE；DSTL2：1.2DEAD+1.4LIVE；DSTL3：1.0DEAD+1.4LIVE。

運(yùn)用SAP2000(V14版)對(duì)三種荷載組合情況進(jìn)行模擬計(jì)算，可知在荷載工況DSTL1作用下對(duì)支撐架最不利。

在荷載工況DSTL1作用下支撐架桿件的最大壓力為292.437 kN，位于下部圓管支撐架的最下端立桿上。

在荷載工況DSTL1作用下支撐架桿件的最大彎矩為173.7 kN·m，位于支撐架頂部的H型鋼交叉撐上。

在荷載工況DSTL1作用下支撐架最大水平位移為39 mm，最大豎向位移為3.59 mm。

在荷載工況DSTL1作用下支撐架各桿件最大應(yīng)力比為0.415，位于支撐架最下端立桿上，遠(yuǎn)小于桿件應(yīng)力比控制值0.95的要求，可知桿件強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

按照GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定計(jì)算得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比柱狀圖如圖5所示，從柱狀圖和計(jì)算結(jié)果可以分析得出：支撐架最大應(yīng)力比發(fā)生在編號(hào)106號(hào)桿件，其值為0.415，小于鋼結(jié)構(gòu)的允許應(yīng)力比。通過(guò)以上對(duì)支撐架的計(jì)算模擬分析我們可以看出，支撐架的軸力圖、彎矩圖以及變形圖均符合基本力學(xué)規(guī)律，該支撐架滿足在該施工狀態(tài)下強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)利用大型有限元計(jì)算程序SAP2000給出了大型鋼桁架臨時(shí)支撐體系的數(shù)值模擬研究方法，計(jì)算和工程實(shí)際表明該方法是可行的。

2)計(jì)算了幾種不同荷載組合工況，得到了支撐架的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。

3)得到了支撐架的破壞規(guī)律：破壞主要位于支撐架最下端立桿處的壓彎破壞，支撐架桿件的最大壓力位于下部圓管支撐架的最下端立桿上，支撐架桿件的最大彎矩位于支撐架頂部的H型鋼交叉撐上。

4)為今后類似工程提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]唐永杰，夏 娟.超重大型鋼桁架現(xiàn)場(chǎng)焊接吊裝.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(6):51-56.

[2]柏慶豐.上海港國(guó)際客運(yùn)中心音樂(lè)文化中心工程懸掛式鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù).綠色施工,2012(1):63-65.

[3]張衛(wèi)東.新沂河特大橋主橋臨時(shí)支撐體系.山西建筑,2010，36(24):324-325.

[4]劉志強(qiáng).淺論鋼結(jié)構(gòu)屋面滑移施工中的臨時(shí)支撐.技術(shù)交流,2013(4):232-234.

[5]褚世仙，楊雷生.東勝體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工臨時(shí)支撐體系監(jiān)測(cè).現(xiàn)代測(cè)繪,2011,34(2):5-6.

[6]冉孟安.人防指揮所工程大廳被覆施工支架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.科技風(fēng),2012,11(下):146-150.

[7]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

Study on numerical simulation of large steel truss of temporary support system

Xu Fubin1Xiao Qiang1Chen Xiaoliang1Peng Dan2

(1.DepartmentoftheAcademyofMilitaryMedicalScience,Beijing100850,China；2.TheFirstAffiliatedHospitalofGeneralHospitalofPLA,Beijing100048,China)

With the large finite element software SAP2000 establish three-dimensional model, on a museum project in the construction process of large steel truss temporary support system are analyzed in numerical simulation, calculate the working condition of several different load combinations, to get the stress and strain distribution of brace.

steel truss, temporary support system, the elastic element, numerical simulation

1009-6825(2015)01-0039-02

2014-10-26

徐福賓(1973- )，男，高級(jí)工程師； 肖 強(qiáng)(1985- )，男，碩士，工程師； 陳小良(1963- )，男，高級(jí)工程師； 彭 丹(1986- )，女，碩士，會(huì)計(jì)師

TU755.22

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