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鋼結(jié)構(gòu)施工中局部承載點的設(shè)計與分析方法

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    羅興隆
    (上海寶冶建設(shè)有限公司，上海 200941)

    [摘要] 在大型鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，經(jīng)常涉及到局部承載點如吊耳、錨點、支撐點等的設(shè)計。本文根據(jù)規(guī)范和相關(guān)理論，給出了吊點局部分析的要點，特別對分析模型及荷載約束條件的給定進行了探討，說明在某些情況下考慮材料非線性及接觸非線性的必要性，并對承載點的設(shè)計提出了參考意見。
    [關(guān)鍵詞] 局部承載點; 材料非線性; 接觸非線性; 施工力學

    1. 概述
    郭彥林等[1]提出大型復雜施工過程中的力學問題分為12類，但是由于實際鋼結(jié)構(gòu)施工過程的復雜性，這些分類終難以覆蓋所有的施工力學問題，本文所提出的施工過程中的承載點設(shè)計，也是一個關(guān)鍵的施工力學問題。雖然以往對鋼結(jié)構(gòu)局部力學特性研究較為深入，但基本上難以應用到工程實際。本文以實際工程為背景，針對國家結(jié)構(gòu)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，來探討承載點設(shè)計和分析方法，并給出了這類承載點確定其承載能力的方法。
    在鋼結(jié)構(gòu)施工的各個環(huán)節(jié)，經(jīng)常會遇到局部受較大集中荷載作用的施工節(jié)點，這里稱為承載點，如鋼結(jié)構(gòu)單元的吊裝、提升和滑移錨點，鋼結(jié)構(gòu)就位或卸載時的局部支點等。由于各方面條件的限制，這些承載點承載面積較小，加勁板構(gòu)造較為復雜，內(nèi)部應力分布不明確，除了按規(guī)范要求進行驗算外，還需進行復雜的局部有限元分析，以確定其內(nèi)應力分布，對節(jié)點進一步驗算。
    本文主要是在總結(jié)國家體育場鋼結(jié)構(gòu)安裝工程[2]中的部分承載點設(shè)計與分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他已建工程的承載點設(shè)計，提出承載點的設(shè)計分析要點。國家體育場東區(qū)鋼結(jié)構(gòu)工程的桁架柱采用兩段吊裝，最大分段的重量達到350t，多采用三點或四點吊裝，桁架柱在就位以前，要經(jīng)歷脫胎、翻身和起吊等不同受力階段，單點最大拉力達到100t以上。主桁架采用分片吊裝，包括立體桁架與平面桁架。桁架就位于支撐塔架之上，考慮到卸載，支撐塔架上設(shè)計了專門的支撐點與卸載點[3]。根據(jù)卸載分析[4]，單點最大壓力達到355.8t。這里稱受拉的承載點為吊點(柔性連接的節(jié)點)，受壓的稱為支承點，既可受拉又可受壓的點稱為錨點。
    這些承載點承受荷載大，構(gòu)造復雜，設(shè)計依據(jù)少，破壞后果非常嚴重，如在桁架吊裝過程中一旦吊點出現(xiàn)破壞，如此大的吊裝單元從空中墜落，將會直接威脅到施工人員的生命安全，造成重大的財產(chǎn)損失和工期延誤；同時荷載的急劇變化，也可能會導致起重機械的失衡。因此局部承載點的合理設(shè)計非常重要。
    2. 局部分析時采用的計算模型及荷載約束條件
    鋼結(jié)構(gòu)承載點作為一個整體，受力情況一般比較明確，為單向受拉或受壓；但由于承載點內(nèi)部構(gòu)造復雜，導致其內(nèi)部受力狀態(tài)不明確。局部有限元分析的目的就是為了明確內(nèi)部應力狀態(tài)，確定承載點是否滿足承載能力的要求。
    由于支撐點是整個體系中不可分割的部分，如果取整個體系進行分析，會導致計算的規(guī)模太大，甚至超出計算機的運算能力，所以一般應該取體系中的一部分進行分析。計算模型應該充分考慮承載點的受力特點，盡可能采用清晰的邊界。如果無法確定清晰的邊界，可以取遠離承載點的位置作為邊界，邊界到承載點中心距離宜不低于承載點在該方向最大尺寸的3倍。
    建模方法可以采用多種形式，可以采用AutoCAD等建模軟件建模再導入到計算軟件如ANSYS中，也可以直接采用ANSYS建模。由于大部分工程人員熟悉AutoCAD，這部分建模工作不必由計算人員完成，所以采用AutoCAD建模的優(yōu)勢在于減輕計算人員的工作量。采用AutoCAD建模時，實體單元用Solid物體，面單元采用Region物體，再輸出(Export)為.sat文件，導入到ANSYS中。
    建模時盡量將各物體分開，在ANSYS中采用膠合(glue)的方式將各部分連接成整體；對于光滑的接觸表面，接觸的部分采用一致的網(wǎng)格形式，通過自由度耦合來模擬接觸狀態(tài)，避免采用接觸單元，以減少非線性造成的計算耗時；對于存在間隙可能接觸的表面，或者無間隙但需要考慮摩擦時，就應該采用接觸分析，如滑動支承點等。接觸問題屬于高度非線性問題，計算時間較長，參數(shù)設(shè)置非常復雜，要特別注意的是接觸類型設(shè)置。另外接觸單元一定要在劃分網(wǎng)格之后生成。
    鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點通常通過高強度螺栓或焊縫連接，采用有限元分析時對高強度螺栓與焊縫的直接模擬較為復雜，如果不是特別必要，一般不直接建模，作剛性連接處理。高強度螺栓模擬時，由于鋼板之間存在非常大的摩擦力，可以不考慮螺栓桿與孔壁之間的間隙。螺栓桿施加預應力，螺栓桿與孔壁之間、螺帽與鋼板之間、鋼板之間采用接觸單元模擬，需要考慮摩擦系數(shù)。對接焊縫直接當作鋼結(jié)構(gòu)的一部分；而角焊縫模擬時，可以分別對角焊縫與兩連接物體進行粘合(glue)，而物體之間采用接觸單元模擬。
    由于一般承載點幾何構(gòu)造不連續(xù)，導致部分位置應力集中嚴重，即使在外荷載不大時，某些幾何變化顯著的位置也可能超過屈服強度。由于結(jié)構(gòu)用鋼材料具有較好的塑性，應力應變關(guān)系接近雙線性，所以通常采用圖1所示的雙線性模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)用鋼強屈比和延伸量的一般情況，取切線模量 為彈性模量E的1/100。由于是支承點有限元分析主是是進行承載能力驗算，因此屈服強度一般取材料的設(shè)計強度f。

    圖1雙線性材料本構(gòu)關(guān)系
    為了降低計算模型的規(guī)模，應該考慮：(1)充分利用模型及荷載約束條件的對稱性；(2)忽略一些次要的部件，如對受力影響較小的穩(wěn)定小加勁板；(3)對于幾何連續(xù)性較好的區(qū)域，采用較粗的網(wǎng)格尺寸；(4)對于板件，盡可能采用殼單元來代替實體單元；(5)盡量減小不必要的非線性因素，如采用粘接來代替接觸。

    3. 局部分析的計算方法及結(jié)果分析
    通常情況下，承載點受力情況存在一些不確定的因素，因此需要采用多模型多荷載組合進行分析；同時對于荷載較大材料可能進入非線性狀態(tài)的情況，應該采用分步加載。分步加載既可以是等比例加載，也可以是非等比例加載。非等比例加載多用于受力情況比例復雜，也就是外荷載是由多種簡單荷載元素構(gòu)成，這里定義簡單荷載包括單個的點、線、面、體荷載。多模型、多荷載組合及分步加載的結(jié)果對于承載點補強措施、安全方案、應急預案的制定都有非常重要的作用。
    對于構(gòu)造復雜的承載點，一般應該允許材料部分進行塑性。這里主要考慮以下幾種因素：(1)承載點多屬于臨時結(jié)構(gòu)，一般不重用；(2)由于局部幾何連續(xù)性差，會導致應力集中，可以通過構(gòu)造上保證塑性區(qū)域不發(fā)生破壞，但同時必須滿足設(shè)計規(guī)范規(guī)定的要求；(3)由于有限元分析將無限自由度的連續(xù)體等效成有限自由度的離散體，這個過程本身存在強制的約束，導致計算結(jié)果偏高，特別是應力峰值偏高的情況。
    出現(xiàn)塑性結(jié)果的情況畢竟會影響設(shè)計者的信心，因此對塑性極限應該進行量化。根據(jù)多年來對上百個不同類型的節(jié)點分析與實施的經(jīng)驗，這里提出兩種要求：(1)塑性應力區(qū)域較小，一般該區(qū)域不應該大于主要受力板件平面最小尺寸的1/10；(2)對于鋼材，要求強屈比不超過1.2，也就是應力峰值不超出屈服強度的1.2倍。鑒于上述兩點，這里不建議使用理想彈塑性模型，因為這樣體現(xiàn)不了應力峰值。
    前面講過，采用ANSYS分析時要盡量將各個物體分開，這樣就可以查看各物體的結(jié)果。主要方法是先選擇物體(體或面)，再選擇與物體對應的單元，就可以查看其結(jié)果。另外，還可以通過選擇截面來查看某個面上的應力情況，還可以按結(jié)果的值范圍選擇查看的單元，這樣后處理特別方便。
    有限元分析的結(jié)果不能夠代替按規(guī)范要求作進行的驗算，所以承載點分析應該包括兩部分的結(jié)果，即按規(guī)范要求進行的驗算和有限元分析，并對有限元分析結(jié)果應該進行詳盡的討論。
    4. 國家體育場桁架柱吊耳分析
    這里以國家體育場的一個典型桁架上柱即C21上柱的吊耳分析為例進行說明。之所以作為例子，不但是因為該桁架上柱的吊耳包括了國家體育場東區(qū)吊裝時用到的兩類吊耳，即板式吊耳與圓管吊耳；而且還因為該桁架上柱中的一個主吊耳即下面的D-3受力大，附著的板件薄，設(shè)計難度大。
    圖2是國家體育場C21柱上柱吊裝時輔助吊點的布置圖，桁架上柱吊重351t。其中吊耳D1實際為兩個，位于桁架柱的兩側(cè)。根據(jù)吊裝方案，桁架柱下架與翻身時采用雙機抬吊，利用吊耳D1~D3共3個吊點，吊裝及就位采用單機起吊，利用吊耳D2~D5共4個吊點。根據(jù)脫胎與直立的分析，A弦桿上的吊耳D2下架時拉力為101t，起吊時拉力為120.8t，吊耳D1合力最大值為166.6t[5]。

    圖3是位于A弦桿上的主吊點D2的有限元模型，對應位置截面為1200×1200×20×20mm，內(nèi)部僅一塊橫向加勁板，厚度為16mm，因此與其他吊耳設(shè)計相比，該處母板更薄，內(nèi)部無法加固，且荷載更大，因此D2的設(shè)計對于吊裝成敗是非常關(guān)鍵的。這里D2~D5均為板式吊耳，其中D2的耳板厚度為50mm，耳板孔邊加強環(huán)板、U形加勁板和小加勁板厚度均為20mm。
    為了加載的方便，在耳板孔處加一半圓柱，其直徑截面法向與吊繩方向始終保持一致。根據(jù)桁架上柱的吊裝方案，桁架上柱從下架到就位要經(jīng)歷翻身直立和起吊兩種情況，吊繩方向及拉力值均不相同[5]，通過調(diào)整半圓柱截面方向來考慮吊繩方向，通過截面上施加的壓力總和來考慮拉力值。計算取的弦桿長度為3220mm，約束條件取弦桿兩端固接。對于這種復雜的幾何關(guān)系，采用殼體單元不是特別方便，主要是在AutoCAD是建區(qū)域非常麻煩，而且在ANSYS中處理也不方便。
    吊點的主應力情況如圖3所示，第一主應力與等效應力均超過屈服強度，但等效應力的峰值大約為屈服強度的1.2倍，通過對塑性的提取發(fā)現(xiàn)，塑性區(qū)域非常小，因此這里認為吊耳的設(shè)計是安全的，最終的施工實施也證明了這一點。


    圖5是吊耳D1的設(shè)計模型，在實際使用時，將在圓管處包一鐵皮，以減少鋼絲繩的磨損。在實際計算時，將此鐵皮簡化成半圓管，以方便在截面上加載，半圓管與圓管采用光滑類型的接觸，這種加載方式與實際使用情況接近。另外，該吊耳的圓管長度較大，以方便重復利用。D1是在所有東區(qū)的桁架上柱與下柱的直弦桿上使用，這樣節(jié)省了鋼材和加工時間。

    國家體育場在卸載時，用到了支撐點，該點主要承受壓力。從實踐來看，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的加勁對于防止結(jié)構(gòu)在局部受力避免產(chǎn)生屈曲是非常有用的。因此如果結(jié)構(gòu)本身無法能夠加強，承載點一定應該放置于有加勁板的位置上。
    5. 承載點的設(shè)計要點
    承載點的設(shè)計一般要考慮通用性，要根據(jù)受力狀態(tài)和構(gòu)件的局部形式進行分組，并按承載力進行分級，以減少設(shè)計量。當施工上存在先后順序時，盡可能設(shè)計可重用的形式。設(shè)計時要充分考慮加工和安裝的方便。
    承載點的位置盡可能與構(gòu)件局部的加勁板相對應；對于內(nèi)部剛度不足的情況，在可能的情況下要對內(nèi)部進行加固。
    對于吊裝或者提升用的錨點，除了上述的圓管吊耳與板式吊耳，還可以考慮采用吊架、套索等多種形式，一般吊架用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法滿足承載要求，但又無法加固或者加固也滿足不了承載要求的情況。
    承載點除了滿足計算要求外，還應該增加必要的加勁板，以減少板件的寬厚比，使之滿足板件的局部屈曲要求。
    參考文獻
    [1] 郭彥林，劉學武，張慶林等，復雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學問題的研究與應用[J]，施工技術(shù)，Vol.35，2006，pp1-5
    [2] 陳橋生，許立新，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及研究[J]，Vol.35，2006，pp41-46
    [3] 羅興隆，陳橋生，蔣振彥，采用液壓設(shè)備控制的大跨度鋼結(jié)構(gòu)卸載分析方法[J]，施工技術(shù)(增刊)，Vol.35，2006，pp133-137
    [4] 郭彥林，郭宇飛，高巍等，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋落架過程模擬分析[J]，施工技術(shù)，Vol.35，2006，pp36-40

    羅興?。耗?，1969年9月生于湖北大冶，現(xiàn)任上海寶冶建設(shè)有限公司鋼構(gòu)設(shè)計院院長，高級工程師，博士。E-mail: benjaminluo@163.com, 電話：13761054285
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