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鋼結構施工中局部承載點(diǎn)的設計與分析方法

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    羅興隆
    (上海寶冶建設有限公司，上海 200941)

    [摘要] 在大型鋼結構安裝過(guò)程中，經(jīng)常涉及到局部承載點(diǎn)如吊耳、錨點(diǎn)、支撐點(diǎn)等的設計。本文根據規范和相關(guān)理論，給出了吊點(diǎn)局部分析的要點(diǎn)，特別對分析模型及荷載約束條件的給定進(jìn)行了探討，說(shuō)明在某些情況下考慮材料非線(xiàn)性及接觸非線(xiàn)性的必要性，并對承載點(diǎn)的設計提出了參考意見(jiàn)。
    [關(guān)鍵詞] 局部承載點(diǎn); 材料非線(xiàn)性; 接觸非線(xiàn)性; 施工力學(xué)

    1. 概述
    郭彥林等[1]提出大型復雜施工過(guò)程中的力學(xué)問(wèn)題分為12類(lèi)，但是由于實(shí)際鋼結構施工過(guò)程的復雜性，這些分類(lèi)終難以覆蓋所有的施工力學(xué)問(wèn)題，本文所提出的施工過(guò)程中的承載點(diǎn)設計，也是一個(gè)關(guān)鍵的施工力學(xué)問(wèn)題。雖然以往對鋼結構局部力學(xué)特性研究較為深入，但基本上難以應用到工程實(shí)際。本文以實(shí)際工程為背景，針對國家結構規范的相關(guān)規定，來(lái)探討承載點(diǎn)設計和分析方法，并給出了這類(lèi)承載點(diǎn)確定其承載能力的方法。
    在鋼結構施工的各個(gè)環(huán)節，經(jīng)常會(huì )遇到局部受較大集中荷載作用的施工節點(diǎn)，這里稱(chēng)為承載點(diǎn)，如鋼結構單元的吊裝、提升和滑移錨點(diǎn)，鋼結構就位或卸載時(shí)的局部支點(diǎn)等。由于各方面條件的限制，這些承載點(diǎn)承載面積較小，加勁板構造較為復雜，內部應力分布不明確，除了按規范要求進(jìn)行驗算外，還需進(jìn)行復雜的局部有限元分析，以確定其內應力分布，對節點(diǎn)進(jìn)一步驗算。
    本文主要是在總結國家體育場(chǎng)鋼結構安裝工程[2]中的部分承載點(diǎn)設計與分析的基礎上，結合其他已建工程的承載點(diǎn)設計，提出承載點(diǎn)的設計分析要點(diǎn)。國家體育場(chǎng)東區鋼結構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(diǎn)或四點(diǎn)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(diǎn)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，支撐塔架上設計了專(zhuān)門(mén)的支撐點(diǎn)與卸載點(diǎn)[3]。根據卸載分析[4]，單點(diǎn)最大壓力達到355.8t。這里稱(chēng)受拉的承載點(diǎn)為吊點(diǎn)(柔性連接的節點(diǎn))，受壓的稱(chēng)為支承點(diǎn)，既可受拉又可受壓的點(diǎn)稱(chēng)為錨點(diǎn)。
    這些承載點(diǎn)承受荷載大，構造復雜，設計依據少，破壞后果非常嚴重，如在桁架吊裝過(guò)程中一旦吊點(diǎn)出現破壞，如此大的吊裝單元從空中墜落，將會(huì )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(shí)荷載的急劇變化，也可能會(huì )導致起重機械的失衡。因此局部承載點(diǎn)的合理設計非常重要。
    2. 局部分析時(shí)采用的計算模型及荷載約束條件
    鋼結構承載點(diǎn)作為一個(gè)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(diǎn)內部構造復雜，導致其內部受力狀態(tài)不明確。局部有限元分析的目的就是為了明確內部應力狀態(tài)，確定承載點(diǎn)是否滿(mǎn)足承載能力的要求。
    由于支撐點(diǎn)是整個(gè)體系中不可分割的部分，如果取整個(gè)體系進(jìn)行分析，會(huì )導致計算的規模太大，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(jìn)行分析。計算模型應該充分考慮承載點(diǎn)的受力特點(diǎn)，盡可能采用清晰的邊界。如果無(wú)法確定清晰的邊界，可以取遠離承載點(diǎn)的位置作為邊界，邊界到承載點(diǎn)中心距離宜不低于承載點(diǎn)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(shí)，實(shí)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(shí)盡量將各物體分開(kāi)，在A(yíng)NSYS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(guò)自由度耦合來(lái)模擬接觸狀態(tài)，避免采用接觸單元，以減少非線(xiàn)性造成的計算耗時(shí)；對于存在間隙可能接觸的表面，或者無(wú)間隙但需要考慮摩擦時(shí)，就應該采用接觸分析，如滑動(dòng)支承點(diǎn)等。接觸問(wèn)題屬于高度非線(xiàn)性問(wèn)題，計算時(shí)間較長(cháng)，參數設置非常復雜，要特別注意的是接觸類(lèi)型設置。另外接觸單元一定要在劃分網(wǎng)格之后生成。
    鋼結構節點(diǎn)通常通過(guò)高強度螺栓或焊縫連接，采用有限元分析時(shí)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(shí)，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。對接焊縫直接當作鋼結構的一部分；而角焊縫模擬時(shí)，可以分別對角焊縫與兩連接物體進(jìn)行粘合(glue)，而物體之間采用接觸單元模擬。
    由于一般承載點(diǎn)幾何構造不連續，導致部分位置應力集中嚴重，即使在外荷載不大時(shí)，某些幾何變化顯著(zhù)的位置也可能超過(guò)屈服強度。由于結構用鋼材料具有較好的塑性，應力應變關(guān)系接近雙線(xiàn)性，所以通常采用圖1所示的雙線(xiàn)性模型。根據結構用鋼強屈比和延伸量的一般情況，取切線(xiàn)模量 為彈性模量E的1/100。由于是支承點(diǎn)有限元分析主是是進(jìn)行承載能力驗算，因此屈服強度一般取材料的設計強度f(wàn)。

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

    3. 局部分析的計算方法及結果分析
    通常情況下，承載點(diǎn)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(jìn)行分析；同時(shí)對于荷載較大材料可能進(jìn)入非線(xiàn)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(jiǎn)單荷載元素構成，這里定義簡(jiǎn)單荷載包括單個(gè)的點(diǎn)、線(xiàn)、面、體荷載。多模型、多荷載組合及分步加載的結果對于承載點(diǎn)補強措施、安全方案、應急預案的制定都有非常重要的作用。
    對于構造復雜的承載點(diǎn)，一般應該允許材料部分進(jìn)行塑性。這里主要考慮以下幾種因素：(1)承載點(diǎn)多屬于臨時(shí)結構，一般不重用；(2)由于局部幾何連續性差，會(huì )導致應力集中，可以通過(guò)構造上保證塑性區域不發(fā)生破壞，但同時(shí)必須滿(mǎn)足設計規范規定的要求；(3)由于有限元分析將無(wú)限自由度的連續體等效成有限自由度的離散體，這個(gè)過(guò)程本身存在強制的約束，導致計算結果偏高，特別是應力峰值偏高的情況。
    出現塑性結果的情況畢竟會(huì )影響設計者的信心，因此對塑性極限應該進(jìn)行量化。根據多年來(lái)對上百個(gè)不同類(lèi)型的節點(diǎn)分析與實(shí)施的經(jīng)驗，這里提出兩種要求：(1)塑性應力區域較小，一般該區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(guò)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(diǎn)，這里不建議使用理想彈塑性模型，因為這樣體現不了應力峰值。
    前面講過(guò)，采用ANSYS分析時(shí)要盡量將各個(gè)物體分開(kāi)，這樣就可以查看各物體的結果。主要方法是先選擇物體(體或面)，再選擇與物體對應的單元，就可以查看其結果。另外，還可以通過(guò)選擇截面來(lái)查看某個(gè)面上的應力情況，還可以按結果的值范圍選擇查看的單元，這樣后處理特別方便。
    有限元分析的結果不能夠代替按規范要求作進(jìn)行的驗算，所以承載點(diǎn)分析應該包括兩部分的結果，即按規范要求進(jìn)行的驗算和有限元分析，并對有限元分析結果應該進(jìn)行詳盡的討論。
    4. 國家體育場(chǎng)桁架柱吊耳分析
    這里以國家體育場(chǎng)的一個(gè)典型桁架上柱即C21上柱的吊耳分析為例進(jìn)行說(shuō)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(chǎng)東區吊裝時(shí)用到的兩類(lèi)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(gè)主吊耳即下面的D-3受力大，附著(zhù)的板件薄，設計難度大。
    圖2是國家體育場(chǎng)C21柱上柱吊裝時(shí)輔助吊點(diǎn)的布置圖，桁架上柱吊重351t。其中吊耳D1實(shí)際為兩個(gè)，位于桁架柱的兩側。根據吊裝方案，桁架柱下架與翻身時(shí)采用雙機抬吊，利用吊耳D1~D3共3個(gè)吊點(diǎn)，吊裝及就位采用單機起吊，利用吊耳D2~D5共4個(gè)吊點(diǎn)。根據脫胎與直立的分析，A弦桿上的吊耳D2下架時(shí)拉力為101t，起吊時(shí)拉力為120.8t，吊耳D1合力最大值為166.6t[5]。

    圖3是位于A(yíng)弦桿上的主吊點(diǎn)D2的有限元模型，對應位置截面為1200×1200×20×20mm，內部?jì)H一塊橫向加勁板，厚度為16mm，因此與其他吊耳設計相比，該處母板更薄，內部無(wú)法加固，且荷載更大，因此D2的設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(guò)調整半圓柱截面方向來(lái)考慮吊繩方向，通過(guò)截面上施加的壓力總和來(lái)考慮拉力值。計算取的弦桿長(cháng)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A(yíng)utoCAD是建區域非常麻煩，而且在A(yíng)NSYS中處理也不方便。
    吊點(diǎn)的主應力情況如圖3所示，第一主應力與等效應力均超過(guò)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(guò)對塑性的提取發(fā)現，塑性區域非常小，因此這里認為吊耳的設計是安全的，最終的施工實(shí)施也證明了這一點(diǎn)。


    圖5是吊耳D1的設計模型，在實(shí)際使用時(shí)，將在圓管處包一鐵皮，以減少鋼絲繩的磨損。在實(shí)際計算時(shí)，將此鐵皮簡(jiǎn)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(lèi)型的接觸，這種加載方式與實(shí)際使用情況接近。另外，該吊耳的圓管長(cháng)度較大，以方便重復利用。D1是在所有東區的桁架上柱與下柱的直弦桿上使用，這樣節省了鋼材和加工時(shí)間。

    國家體育場(chǎng)在卸載時(shí)，用到了支撐點(diǎn)，該點(diǎn)主要承受壓力。從實(shí)踐來(lái)看，結構內部的加勁對于防止結構在局部受力避免產(chǎn)生屈曲是非常有用的。因此如果結構本身無(wú)法能夠加強，承載點(diǎn)一定應該放置于有加勁板的位置上。
    5. 承載點(diǎn)的設計要點(diǎn)
    承載點(diǎn)的設計一般要考慮通用性，要根據受力狀態(tài)和構件的局部形式進(jìn)行分組，并按承載力進(jìn)行分級，以減少設計量。當施工上存在先后順序時(shí)，盡可能設計可重用的形式。設計時(shí)要充分考慮加工和安裝的方便。
    承載點(diǎn)的位置盡可能與構件局部的加勁板相對應；對于內部剛度不足的情況，在可能的情況下要對內部進(jìn)行加固。
    對于吊裝或者提升用的錨點(diǎn)，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，一般吊架用于內部結構無(wú)法滿(mǎn)足承載要求，但又無(wú)法加固或者加固也滿(mǎn)足不了承載要求的情況。
    承載點(diǎn)除了滿(mǎn)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(mǎn)足板件的局部屈曲要求。
    參考文獻
    [1] 郭彥林，劉學(xué)武，張慶林等，復雜鋼結構施工力學(xué)問(wèn)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(chǎng)鋼結構施工技術(shù)及研究[J]，Vol.35，2006，pp41-46
    [3] 羅興隆，陳橋生，蔣振彥，采用液壓設備控制的大跨度鋼結構卸載分析方法[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(chǎng)鋼結構屋蓋落架過(guò)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，現任上海寶冶建設有限公司鋼構設計院院長(cháng)，高級工程師，博士。E-mail: benjaminluo@163.com, 電話(huà)：13761054285
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