復雜鋼結構吊裝及施工仿真技術研究

夏彬，崔杰，曹旭，孫勇，李文歡 （中建二局安裝工程有限公司，北京 100000）

0 引言

與鋼筋混凝土結構不同，鋼結構具有快速施工、自重輕、高強度和節段拼裝的優點，在大跨度結構、工業廠房、大型車站和飛機場中得到廣泛的運用[1]。隨著結構力學理論的發展，鋼結構的形態也日趨復雜，朝著大跨度和輕量化的方向發展，對結構施工安裝精度的控制要求也日益嚴格。因此，對于鋼結構的吊裝而言，其過程中的受力特性呈現明顯的空間特性，需要對結構構件的應力狀態和變形作更為精細的分析[2]。在目前計算軟件技術的發展下，設計人員能夠應對更為復雜的鋼結構三維應力狀態計算，以滿足結構安裝過程中構件的應力應變要求以及設備和整體結構的問題定性要求[3]。

1 工程概況

某項目標準鋼結構工程為標準化廠房，共計6 座廠房。廠房的鋼結構構件安裝具有一定的復雜性，這是因為廠房的跨度和長度較大，6 座廠房跨度均為32m，其中1#、2#、3#、4#廠房長132m，5#、6#廠房長120m，吊裝高度為8.5m，屬于危險性較大的分部分項工程。對鋼結構吊裝施工的仿真計算以32m 跨度廠房為計算模型，1#-6#廠房跨度為32m，柱距6m，邊柱頂標高8.5m，建筑面積4224m2，廠房由GJ1和GJ2兩種鋼架組成。其中GJ1 鋼架有兩榀，GJ2 鋼架有21 榀，GJ1 鋼架鋼柱之間設置有抗風柱，GJ2 鋼架設置有中柱，跨距大，安裝難度大，安裝過程中的質量和安全控制尤為重要。鋼架立面布置如圖1 所示。

圖1 中間跨鋼架立面圖

2 鋼結構吊裝就位及固定施工技術

2.1 鋼架構件吊裝就位技術措施

鋼柱及鋼架梁的安裝均用25t 吊車進行吊裝，安裝的順序是先從左至右依次完成兩側鋼柱的吊裝，再從左至右依次按順序完成鋼架梁的吊裝，如圖2、圖3 所示。鋼柱采用捆綁法進行吊裝，吊點位置采用一點正吊的吊裝方式，吊點設置在柱頂處，柱身豎直，吊點通過柱重心位置[4]。在鋼結構構件的起吊前，應對起吊過程的技術人員進行詳細的分工和技術交底，為確保任意步驟的安全，按照設定的吊裝程序進行工作狀態檢查，并且起吊技術人員應按照統一的指揮信號進行施作。在確保構件綁扎和設備運轉一切正常后，應進行試吊，具體操作方法是指揮人員按照預定的動作發出起吊命令，起吊技術人員發動吊車，緩慢地將構件抬升至離地面20cm 位置，隨后指揮人員對起吊技術人員發起停止起吊命令，將構件懸停，然后構件、吊裝設備和操作流程進行進一步的詳細核查，以保證后續吊裝具有萬無一失的安全性。在檢查完畢后，起吊技術人員再次啟動吊車，將鋼結構構件提升到設定的安裝高度。在提升的過程中，為保證構件不會隨著設備的晃動或者風荷載的作用而產生晃動，在鋼構件的兩端采用白棕繩進行平衡控制，通過松緊伸縮控制構件在空中的姿態，維持水平狀態的上升趨勢，并避免鋼構件在抬升過程中與其他物件發生碰撞和摩擦[5]。

圖2 廠房兩側鋼框柱吊裝示意圖

圖3 屋面鋼架梁吊裝示意圖

構件到達安裝位置時，指揮吊車司機緩慢地下降鋼架，使鋼架能平衡地落在指定安裝位置上，并用全站儀配合經緯儀進行測量、調整校正，使其達到設計要求。最后經質量、安全檢查，確認符合要求后才可以落鉤。施工時用的全站儀、經緯儀、鋼卷尺等計量器具必須經計量檢驗部門計量檢定并保證在檢定有效期內使用，以保證構件尺寸檢驗的統一、準確[6]。

2.2 構件吊裝就位固定技術措施

鋼柱為豎向承載構件，其連接固定的方式主要是通過螺栓錨固連接。具體的操作方式是在廠房基礎上預先埋設地腳螺栓，然后按照水平起吊方式將鋼柱抬起，并在柱腳離開地面大約30～40cm時，逐步調整鋼柱頂部吊點，使鋼柱緩慢豎立起來，并逐步下放鋼柱，使得鋼柱的安裝螺栓孔與基礎上預埋的地腳螺栓對齊吻合，四面兼顧，不斷調整吊繩的力度使鋼柱逐步就位，并采用人工輔助的方法使鋼柱與廠房基礎兩者的定位線基本保持一致，另外，還需借助測量設備對鋼柱的垂直度進行控制，保證豎向的偏差不會超過20cm，以避免鋼柱的傾斜失穩，復核完成后再將螺栓擰緊臨時固定，即可脫鉤。

完成所有鋼柱的就位安裝后，需采取一定的連接措施將柱子間進行支持，使柱網形成具有一定穩定度的排架，以增強其局部穩定性。隨后吊裝第一榀鋼梁，將其與鋼柱進行臨時連接，并采用纜風繩將其系緊以起到加固鋼梁的目的，在起吊和安裝第二榀鋼梁后，為了將鋼梁與鋼梁之間、鋼梁與鋼柱之間及時形成封閉的受力構件，可采取一定的加固措施，將安裝好的鋼梁之間采用系桿進行連接，起到支撐和穩定的作用，在隨后的其余鋼梁吊裝和安裝時，也可以采取類似的加固方法，直至鋼梁安裝完成[7-8]。

為了保持鋼柱的穩定性，采用纜風繩進行鋼柱的牽引和平衡。如圖4 所示，纜風繩采用鋼絲繩，直徑不小于9.3mm。地面錨固纜風繩應采用與鋼絲繩拉力相適應的地錨，采用平行打入兩根鋼管，水平相距1.0m 左右，入土深度1.0～1.7m，上部用橫管及扣件鎖住，使兩管同時受力共同工作。

圖4 纜風繩固定示意圖

3 鋼結構施工仿真計算分析

3.1 三維鋼結構仿真模型的建立

鋼結構工程為標準化廠房，施工模擬以32m 跨度1#-6#廠房進行計算。為保證計算結果與實際施工的一致性，按照實際的安裝工藝和施工順序進行鋼結構受力的最不利分析。鋼結構安裝總體思路為構件運輸至現場，先進行兩側鋼柱的吊裝，使用一臺25t 吊車；屋架鋼梁運輸至現場后，現場組裝成人字鋼架，擬采用“高空主鋼架單榀整體吊裝”的施工方案進行吊裝?？傮w施工順序為先吊裝鋼框柱，對鋼柱進行固定，再進行鋼架梁的整體吊裝，先吊裝GJ2鋼架，再吊裝GJ1 鋼架及廠房兩端抗風柱。采用結構有限元設計軟件SAP 2000 建立三維鋼結構仿真模型，如圖5所示。

圖5 三維鋼結構仿真模型

3.2 鋼結構吊裝施工時應力和變形

圖6 為鋼結構吊裝施工時的應力和變形數值模擬結果。從圖6（a）中可以看出，在選取的350 個計算節點中，鋼柱的應力比和鋼架梁的應力比基本相近，應力比均小于1.0，最大鋼柱應力比為0.693，最小鋼柱應力比為0.001，平均鋼柱應力比為0.344，經換算得到最大鋼柱應力為162.8MPa，小于Q235 鋼材的屈服強度，鋼架梁的最大鋼柱應力比為0.695，最小鋼柱應力比為0.021，平均鋼柱應力比為0.301，經換算得到最大應力值為163.3MPa，小于Q235 鋼材的屈服強度。從圖6（b）中可以看出，整體而言在選取的350 個計算節點中，鋼柱的位移小于鋼架梁的位移，鋼柱的位移最大值為0.988mm，最小值為0.505mm，平均值為0.787mm，鋼架梁的位移最大值為1.966mm，最小值為0.725mm，平均值為1.335mm，鋼架梁的位移平均值約為鋼柱的位移平均值的2.0倍。

圖6 三維鋼結構仿真計算結果

3.3 鋼結構吊裝施工驗算

鋼結構的吊裝分為鋼柱吊裝和鋼架梁吊裝，采用的吊裝設備為25t 單機吊車，各個構件單元的重量如圖表1所示。

表1 鋼結構吊裝數據一覽表

以鋼架梁為吊裝計算載荷可以按公式（1）所示進行計算：

式中，k1為動載荷系數（1.5），Q 為吊裝載荷57kN。計算得出Qj=1.5×57kN=85.5kN。

根據現場情況，吊車工作回轉半徑為7.5m，屋面剛架梁頂標高8.0～9.8m，吊索及吊裝間隙高度4m，吊裝高度9.8+4=13.8m，吊臂伸長=（7.52）0.5+13.82=15.95m，查表臂長17.3m 時，回轉半徑7.5m 時，25t 單臺吊車額定載荷為91kN。

由此得出25t 吊車額定載荷91kN＞吊裝計算載荷85.5kN。所以單臺25t吊車滿足吊裝要求。

鋼絲繩的受拉力計算可以按公式（2）得到：

式中，G=29kN，α 為鋼架梁兩側鋼絲繩相鄰之間夾角，α 不大于60°，計算時α 可取為60°。計算得出T=(29kN/cos30°)/4=8.4kN。

鋼絲繩公稱抗拉強度為1550MPa，鋼絲繩選擇6×37mm，直徑13mm，其安全系數驗算如下：

式中，P 為鋼絲繩的破斷拉力總和（kN），k為鋼絲繩的安全系數。

由此可得，k=97.2kN/8.4kN=11.57≥8，所以選用鋼絲繩為直徑13mm、公稱抗拉強度1550MPa 的6×37mm 鋼絲繩（鋼芯）滿足吊裝要求。

為保證汽車吊在吊裝過程中的穩定，需進行抗傾覆驗算，即需使穩定力矩大于傾覆力矩。以25t 汽車吊起吊鋼架梁約5.7t 為驗算對象，穩定性驗算可以按公式（4）計算：

式中，KG 為自重加權系數，取1.00；KQ 為起升荷載加權系數，取1.15；KW為風動載加權系數，取1.00；MG、MQ、MW 為汽車吊自重、起升荷載、風動荷載對傾覆邊的力矩，N·m。

KG×MG+KQ×MQ+KW×MW=1×25000×3.75-1.15×2900×(7-3.75)-1×0.2×5700×（10.4+0.3+1.2/2）=70029.25N·m＞0，遠大于0，故穩定性滿足要求。

穩定力矩M1=KG×MG=1×G×a=1×25000×3.75=93.75KN·m；傾覆力矩M2=KQ×MQ+KW×MW=1.15×5700×(7-3.75)+1×0.2×5700×（10.4+0.3+1.2/2）=34.39KN·m；

穩定系數=穩定力矩M1/傾覆力矩M2=93.75/34.39=2.72＞1.5，故汽車吊的穩定性滿足抗傾覆要求。

4 結語

以某項目標準鋼結構工程為標準化廠房作為研究對象，在分析建筑鋼結構的吊裝就位及固定措施基礎上，基于結構有限元軟件建立三維仿真模型，分析吊裝過程中的應力和變形變化規律，驗算吊車、吊繩的吊裝能力以及吊車的穩定性，得到以下結論。

①鋼柱及鋼架梁的安裝均用25t 吊車進行吊裝，安裝的順序是先從左至右依次完成兩側鋼柱的吊裝，再從左至右依次按順序完成鋼架梁的吊裝；鋼柱的固定方法是在基礎上面預埋地腳螺栓，采用纜風繩進行鋼柱的牽引和保持穩定。

②三維仿真分析結果表明，吊裝過程中鋼柱的應力比和鋼架梁的應力比基本相近，應力比均小于1.0，鋼架梁的位移平均值約為鋼柱的位移平均值的2.0倍。

③計算結果表明，25t吊車額定載荷91kN＞吊裝計算載荷85.5kN，單臺25t吊車滿足吊裝要求；選用鋼絲繩為直徑13mm、公稱抗拉強度1550MPa 的6×37mm 鋼絲繩（鋼芯）滿足吊裝要求；穩定系數大于1.5，汽車吊的穩定性滿足抗傾覆要求。