□文/曹爽秋

大跨度鋼屋架吊裝平面外穩(wěn)定的內(nèi)力控制方法

□文/曹爽秋

大跨度廠房在安裝中最經(jīng)濟(jì)的方法就是單榀提升就位，此方法存在一個(gè)容易忽視的問題就是鋼屋架吊裝過程中的平面外穩(wěn)定性。文章通過工程實(shí)例，探討大跨度鋼屋架吊裝平面外穩(wěn)定的內(nèi)力控制方法。

大跨度；單榀；桁鋼；屋架；吊裝；平面；外穩(wěn)定；內(nèi)力

1　工程概況

空客A330寬體飛機(jī)完成和交付中心定制廠房項(xiàng)目中，完成中心廠房主體由工作組機(jī)庫、客艙裝飾機(jī)庫1&2組成三連跨鋼排架結(jié)構(gòu)。廠房總長度222 m，進(jìn)深84 m。工作組機(jī)庫跨度78 m，客艙裝飾機(jī)庫1&2跨度均為72 m，屋架下弦標(biāo)高21 m。結(jié)構(gòu)布置4排共36根實(shí)腹H型鋼柱，單根最大質(zhì)量約16.4 t。鋼柱在A～B軸H～J軸間柱距為6 m，其余均為12 m，鋼柱柱腳標(biāo)高-3.25 m，全高26.4 m，各排鋼柱沿縱向設(shè)計(jì)柱間支撐。

2　吊裝方法

目前大跨度鋼屋架在剛度滿足的情況下采用的是單榀雙機(jī)抬吊裝施工，見圖1。

圖1　大跨度鋼屋架吊裝工況

2.1大跨度鋼屋架吊裝井面外穩(wěn)定支撐剛度的確定

鋼屋架吊裝中，由于每榀鋼屋架沒有任何外力支撐的作用，所以上下弦桿、腹桿互相之間對(duì)側(cè)向抗彎剛度的影響比較弱，但從安全考慮一般不計(jì)這種影響，僅作為安全儲(chǔ)備。實(shí)際上鋼屋架在吊裝過程中存在一個(gè)確定的面外支撐作用，這就是吊裝使用的鋼絲繩。當(dāng)鋼絲繩橫向擺動(dòng)離開原位置為d時(shí)，必然產(chǎn)生一水平的恢復(fù)力F，見圖2。

圖2　鋼絲繩恢復(fù)力

式中：F繩為鋼絲繩內(nèi)力；l繩為鋼絲繩長度，為定值，所以鋼絲繩對(duì)鋼屋架的面外支撐力與水平擺動(dòng)離d成正比，可將這一作用考慮為剛度為k的彈簧，k

2.2鋼屋架上弦桿吊裝面外穩(wěn)定的分析

目前對(duì)于鋼屋架吊裝中的跨外穩(wěn)定問題一般考慮上弦吊點(diǎn)之間的桿件作長度作為計(jì)算長度，這樣的假設(shè)造成如果鋼屋架上弦桿失穩(wěn)則形成圖3的變形狀態(tài)。

圖3　假定成為三段失穩(wěn)的變形

如考慮兩個(gè)吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的間距與中間段距離相等，則所有的支撐點(diǎn)均為反彎點(diǎn)，反彎點(diǎn)彎矩為0，要求鋼絲繩的k至少為，所以要求，通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)繩力是無法滿足公式的，這就是說明鋼屋架無法形成三段式失穩(wěn)狀態(tài)，鋼絲繩對(duì)鋼屋架的側(cè)向穩(wěn)定支撐剛度沒有那么大。

合理的計(jì)算方法應(yīng)根據(jù)k的實(shí)際數(shù)值先轉(zhuǎn)化為兩段鉸接中間為彈簧支撐的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)彈性穩(wěn)定理論計(jì)算失穩(wěn)荷載。

轉(zhuǎn)換方法見圖4，可直接把兩端設(shè)置為原位置不動(dòng)，則形成兩端鉸接，中間為彈簧的軸心受壓結(jié)構(gòu)。

但需要注意的是，當(dāng)?shù)谝环N四彈簧結(jié)構(gòu)與第二種兩端鉸接結(jié)構(gòu)等價(jià)時(shí)，彈簧剛度第一種需要是第二種的2倍。例如當(dāng)三段等長軸心桿件受壓屈曲時(shí)，第一種結(jié)構(gòu)彈簧剛度為，第二種結(jié)構(gòu)（讀者可自行計(jì)算），也就是說當(dāng)采用兩端鉸接，中間彈簧的軸心受壓桿計(jì)算公式時(shí)，須將原結(jié)構(gòu)的k除以2，再代入公式方可得到正確解。

3　方法驗(yàn)證

以72 m、31 t鋼屋架吊裝為例進(jìn)行說明。

3.1內(nèi)力分析

內(nèi)力采用MIDAS/GEN有限元結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行計(jì)算，建模及計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5　72m跨鋼屋架吊裝內(nèi)力分析

由圖5可知，鋼絲繩內(nèi)力約為100 kN，鋼絲繩繩長17 m，則當(dāng)鋼絲繩面外橫向擺動(dòng)時(shí)，k=5.9 kN/m，代入兩端鉸接結(jié)構(gòu)時(shí)取K=0.5k。

上弦桿取最小截面為H400mm×400mm×10mm× 18 mm，最大間距l(xiāng)=24 m，根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，當(dāng)彈簧剛度足夠大時(shí)，桿件軸壓承載力為

實(shí)際彈簧剛度Kl/N0=0.08＜0.5，N=（0.11+0.9Kl/N0）N0=0.2N0=136（kN）。N為實(shí)際最大承載力。

上弦最大壓力為53 kN，考慮彎矩等不利影響，乘以1.2的系數(shù)為64 kN，應(yīng)力為0.46＜0.6，滿足吊裝安全要求。

3.2鋼屋架下弦桿吊裝穩(wěn)定驗(yàn)算

大跨度鋼屋架下弦桿由于不存在任何側(cè)向支撐，所以應(yīng)在吊點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)控制下弦桿內(nèi)力盡量為拉桿，由于施工中很少將屋架端部設(shè)為吊點(diǎn)，所以在兩端會(huì)存在一定的壓力，這種兩端受壓中間受拉的屋架下弦桿件可以進(jìn)行穩(wěn)定分析。

受壓端長度為9 m壓力取大值為19.9 kN，中間受拉長度48 m，拉力平均值為19.4 kN。

對(duì)下弦平面完全不設(shè)支撐的三段式（壓拉壓）軸心受力桿件的進(jìn)行驗(yàn)算η=Nt/Nc=19.7/19.9=0.97。

當(dāng)0.1≤η≤1時(shí)，α=2.7+3（1-η）3=2.7；當(dāng)1≤η≤2時(shí)，α=2.2+0.5（2-η）2；則計(jì)算長度系數(shù)μ=1-

計(jì)算長度μl=38 m，按照鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論可知，當(dāng)下弦承受軸心壓力面外失穩(wěn)時(shí)，最大受壓承載力為121 kN（根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算），下弦吊裝中最大壓力為19.9 kN，考慮彎矩影響乘以1.2，則應(yīng)力比為0.2＜0.6，滿足要求。

4　總結(jié)

1）采用MIDAS/GEN分析軟件或其他結(jié)構(gòu)分析軟件，進(jìn)行吊點(diǎn)設(shè)計(jì)。通過吊點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)，使得屋架上弦受壓盡量較?。ɡ硐肭闆r為原設(shè)計(jì)承載力的1/10），同時(shí)下弦兩端受壓而中部大部分桿件受拉。

2）獲得鋼屋架吊裝內(nèi)力軸力數(shù)值。

3）計(jì)算時(shí)，截面取最小截面，上弦計(jì)算考慮為多跨等長（本工程為三跨），采用實(shí)際最大長度為標(biāo)準(zhǔn)跨長度。

4）應(yīng)力比的控制，本工程為0.6（考慮現(xiàn)場(chǎng)各種不利影響），當(dāng)天氣很好時(shí)可以采用0.8作為控制值。

5）如發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定問題應(yīng)考慮重新布置吊點(diǎn)調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力并重復(fù)以上步驟。

6）當(dāng)仍然無法保證面外穩(wěn)定時(shí)，必須考慮兩榀桁架同時(shí)吊裝或者在面外采用附加小桁架的做法保證結(jié)構(gòu)吊裝穩(wěn)定。

TU391

C

1008-3197（2016）04-20-02

2016-07-06

曹爽秋/男，1972年出生，高級(jí)工程師，天津市建工工程總承包有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.007