大跨度輕型鋼桁架吊裝技術(shù)及應(yīng)用*

曾新明，黃佩兵

(中國電建集團 江西省水電工程局有限公司，江西 九江 332000)

0 引 言

為了追求更大、更舒適的生活空間，人類積極使用鋼材建造了如鋼桁架等大跨度結(jié)構(gòu)。隨著跨度的增加，鋼桁架單位用鋼量也隨之增加。為了減少用鋼量，設(shè)計單位經(jīng)常對鋼桁架進行優(yōu)化，桁架斷面高度隨著受力情況不斷變化，上下弦桿規(guī)格型號也隨之變化，造成鋼桁架平面外剛性極差，給鋼桁架吊裝工作帶來了極大的困難。

大跨度鋼桁架在吊裝中不僅要考慮吊裝過程受力情況，還要考慮其在地面組裝后翻轉(zhuǎn)過程的受力情況。需要通過計算機模擬分析鋼桁架翻身和吊裝過程中的受力，確保吊裝過程各桿件應(yīng)力和變形都在允許范圍內(nèi)。筆者以某國外工程為例，從工程特點分析、吊裝方案選擇、吊裝過程有限元分析和桁架吊裝等幾個方面來進行闡述，詳細介紹大跨度輕型鋼桁架吊裝技術(shù)。

1 工程概況

國外某工程廠房屋面采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，如圖1，上下弦桿和腹桿均為焊接型H型鋼，鋼桁架分4節(jié)在工廠預(yù)制，節(jié)間和部件間均采用螺栓連接。鋼桁架跨度為60 m，最大矢高為6 m，單榀鋼桁架質(zhì)量約為15 t，每米質(zhì)量僅為250 kg。

圖1 鋼桁架示意

2 結(jié)構(gòu)特點分析

通過對鋼桁架結(jié)構(gòu)分析可知，該鋼桁架單位質(zhì)量小的原因之一是因為優(yōu)化了結(jié)構(gòu)受力，整體結(jié)構(gòu)受力更趨于合理；二是上下弦桿和腹桿選型與結(jié)構(gòu)受力高度一致。從鋼桁架上弦X軸的慣性矩變化可以看出，如圖2，根據(jù)受力大小不同部位的上下弦桿選用了不同型號的H型鋼，通過增加H型鋼規(guī)格型號降低單位用鋼量。此鋼桁架結(jié)構(gòu)特點如下。

圖2 鋼桁架上弦桿X軸慣性矩變化

(1) 鋼桁架上弦采用正立H型鋼，上弦桿平面外穩(wěn)定性可以利用屋面檁條來保證。下弦采用倒置H型鋼，桿件弱軸為平面外方向，下弦桿平面外穩(wěn)定性通過設(shè)置少量的系桿就可保證。

(2) 依據(jù)上下弦桿和腹桿受力，精確選用型材。此工程鋼桁架跨度和矢高大，單位用鋼量低，結(jié)構(gòu)整體剛性較差。

(3) 鋼桁架翻身和吊裝前，需要模擬分析計算各桿件的應(yīng)力和變形，科學制定吊裝方案，否則翻身和吊裝過程中可能出現(xiàn)大量的失穩(wěn)桿件。

3 吊裝方案選擇

本工程鋼桁架分為4節(jié)制作，桿件間均采用高強螺栓連接，桿件防腐后直接運至工地。桁架在施工現(xiàn)場采用臥式法進行組裝。先用枕木在平整的場地上鋪設(shè)組裝平臺，再依次進行上下弦桿和腹桿組裝。

根據(jù)當?shù)卣嚓P(guān)規(guī)定，若采用雙機抬吊，則需要當?shù)卣J證的一級起重工，費用昂貴，并需要提交專門吊裝方案，審批時間很長。施工現(xiàn)場場地平整寬闊，有利于大型吊機作業(yè)和鋼桁架整體組裝，故應(yīng)盡量采用單機整體吊裝方案。如無法實施單機吊裝方案，應(yīng)采用單機分節(jié)同時吊裝方案。

跨度和矢高比較大的平面桁架翻身過程中風險較大，特別是采用單機吊裝時，容易造成桿件嚴重變形。要合理確定吊點和臨時支承點的數(shù)量、位置，吊點和臨時支承點越多，位置布置越合理，鋼桁架翻身和吊裝過程中的安全才能得到保證。

3.1 整體翻身過程分析

鋼桁架翻身時計算模型如圖3所示。

圖3 鋼桁架翻身示意注：節(jié)點8、15、45、52為吊點，節(jié)點7、16、37、44、53、72為(臨時)支承點。

由于其長達59.8 m，為保證上弦桿平面外穩(wěn)定性，因此翻身時采用四個吊點(節(jié)點8、15、45、52)，采用兩根吊索的四點吊裝法且兩側(cè)采用同一根吊索吊裝[1]。由于鋼桁架下弦桿不在一條直線上，桁架翻身時，只有節(jié)點37、72與地面接觸，形成臨時支承點，將造成大量桿件變形嚴重，翻身過程無法進行。因此需要采取措施增加臨時支承點，如圖3所示增加節(jié)點7、16、44、53為臨時支承點。

翻身過程的結(jié)構(gòu)計算采用線性分析。鋼桁架翻身時段，由于恒荷載與活荷載(如施工臨時設(shè)施重量)均不會發(fā)生變化，因此工況組合采用1.0×恒荷載+1.0×活荷載[2]。

通過有限元軟件分析得到應(yīng)力與變形情況，結(jié)果如圖4、5所示，鋼桁架翻身過程中，雖然設(shè)置了4個臨時支承點(節(jié)點7、16、44、53)，仍有少量桿件應(yīng)力值超標，最大為設(shè)計值的1.15倍。且有大量桿件變形超標，最大變形達90.2 mm。

圖4 鋼桁架翻身過程中桿件應(yīng)力比

圖5 鋼桁架翻身過程中桿件變形/mm

3.2 整體吊裝受力分析

鋼桁架翻身后處于豎直狀態(tài)，計算模型如圖6所示，節(jié)點22為鉸支座位置，實際上就是吊機的吊鉤位置。工況組合也采用1.0×恒荷載+1.0×活荷載。

圖6 鋼桁架吊裝示意注：節(jié)點22為吊機吊鉤位置

進行有限元軟件分析，結(jié)果如圖7、8所示，桿件應(yīng)力值無超標現(xiàn)象，應(yīng)力比均在0.5以內(nèi)。但有大量桿件變形超標，最大變形達222.4 mm。

圖7 鋼桁架吊裝過程中桿件變形/mm

圖8 鋼桁架吊裝過程中桿件應(yīng)力比

增加臨時支承點，同時考慮吊裝方案的經(jīng)濟性，經(jīng)過多輪建模分析計算，鋼桁架翻身和吊裝過程中，部分桿件仍存在應(yīng)力、變形嚴重超標的情形，因此整體吊裝方案不可取。

3.3 分節(jié)吊裝受力分析

由于單機整體吊裝方案不可取，因此擬采用分三節(jié)同時吊裝方案。鋼桁架中間節(jié)長35.8 m，質(zhì)量8.9 t，兩端節(jié)長12 m，質(zhì)量約3 t。下面以中節(jié)吊裝為例進行吊裝受力分析。

由于中間節(jié)較長，為防止其桿件在翻身和吊裝過程中平面外失穩(wěn)，在鋼桁架上弦桿上設(shè)置4個吊點。鋼桁架翻身時下弦桿與地面接觸，相當于線性支承，因此桿件穩(wěn)定性均有保證。

鋼桁架翻身后計算模型如圖9所示，節(jié)點43是吊機的吊鉤位置。工況組合同樣采用1.0×恒荷載+1.0×活荷載。

圖9 鋼桁架中間節(jié)吊裝示意注：節(jié)點43為吊機吊鉤位置

通過有限元軟件分析進行分析，結(jié)果如圖10、11所示，桿件應(yīng)力值無超標現(xiàn)象，應(yīng)力比均在0.5以內(nèi)，桿件最大變形為7.1 mm，均滿足設(shè)計和施工規(guī)范要求[3]。因此，分節(jié)吊裝方案可行。

圖10 鋼桁架中間節(jié)吊裝過程中桿件應(yīng)力比

圖11 鋼桁架中間節(jié)吊裝過程中桿件變形/mm

4 鋼桁架分節(jié)吊裝

鋼桁架在地面分三節(jié)進行組裝，組裝完成后采用三臺吊機同時進行吊裝，在高空中進行對接，對接時施工人員站在舉升車吊籃內(nèi)作業(yè)。具體的施工步驟如下。

(1) 鋼桁架吊裝準備

在方案選定的吊點位置，利用吊索捆綁牢固，每節(jié)鋼桁架的其中1根吊索配1只手拉葫蘆，用于調(diào)整桁架傾角。并在每節(jié)鋼桁架的兩端系上纜風繩(兼作溜繩)。在鋼桁架分節(jié)提升時，控制好纜風繩，防止發(fā)生擺動或旋轉(zhuǎn)。將該鋼桁架分節(jié)提升至距地面0.2～0.3 m左右后停止起吊，檢查起重機的穩(wěn)定性、制動裝置的可靠性、構(gòu)件的平衡性和綁扎的牢固性等[4]。

(2) 鋼桁架傾角調(diào)整

鋼桁架試吊結(jié)束確認無誤后，用水平尺檢查每節(jié)鋼桁架的傾角。如其傾角不滿足設(shè)計和施工規(guī)范要求，兩節(jié)鋼桁架對接部位不能完全吻合，將給空中對接帶來很大的困難，因此吊裝過程中必須保證每節(jié)鋼桁架的傾角。施工人員應(yīng)站在地面上作業(yè)，通過調(diào)整手拉葫蘆的長度對鋼桁架傾角進行調(diào)整，直至符合規(guī)范要求。

(3) 鋼桁架提升

構(gòu)件提升到一定高度后，吊機起重臂回轉(zhuǎn)，將構(gòu)件從拼裝位置上方旋至安裝位置，同時用構(gòu)件兩端的纜風繩保持其穩(wěn)定，并調(diào)整其姿態(tài)。構(gòu)件位于其安裝位置下方附近時，起重機停止回轉(zhuǎn)，并提升構(gòu)件至超過安裝高度2 m左右。每節(jié)鋼桁架提升時，應(yīng)注意與相鄰桁架保持安全距離。

(4) 桁架安裝

鋼桁架分三節(jié)同時吊裝，兩端節(jié)與鋼柱連接，連接完畢后吊車不松鉤，然后進行中間節(jié)鋼桁架吊裝。鋼桁架節(jié)間和其與鋼柱之間所有連接工作均由施工人員站在舉升車吊籃內(nèi)完成，如圖12。待中間節(jié)和兩端節(jié)安裝連接完畢后，設(shè)置好兩組纜風繩，三臺吊車才能松鉤。

圖12 鋼桁架三段同時吊裝

相鄰的兩跨鋼桁架吊裝完成后立即安裝鋼桁架間的水平、垂直支撐及部分檁條，安裝完畢后才能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

采用分節(jié)同時吊裝方案，安全順利地完成該輕型鋼桁架的安裝。吊裝過程中對桿件應(yīng)力和變形進行了監(jiān)測,檢測結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范要求，吊裝過程的安全得到了有效保證。

5 結(jié) 語

在該輕型鋼桁架吊裝方案選擇階段，結(jié)合吊點和臨時支承點分布情況，對鋼桁架翻身和吊裝過程進行理論分析計算，確保所有桿件應(yīng)力和變形符合相關(guān)規(guī)范要求。為滿足當?shù)卣?guī)定要求并降低工程成本，因地制宜地采用三臺吊機分三節(jié)同時吊裝，完成該鋼桁架安裝，該工程施工工期、質(zhì)量和安全得到了很好的保證，可為類似大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝工程應(yīng)用提供一些有益的借鑒。