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鋼結構施工中局部承載點的設計與分析方法

作者：建筑鋼結構網    
時間：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程中，經常涉及到局部承載點如吊耳、錨點、支撐點等的設計。本文根據規范和相關理論，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，并對承載點的設計提出了參考意見。
    [關鍵詞] 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，但是由于實際鋼結構施工過程的復雜性，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計，也是一個關鍵的施工力學問題。雖然以往對鋼結構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，針對國家結構規范的相關規定，來探討承載點設計和分析方法，并給出了這類承載點確定其承載能力的方法。
    在鋼結構施工的各個環節，經常會遇到局部受較大集中荷載作用的施工節點，這里稱為承載點，如鋼結構單元的吊裝、提升和滑移錨點，鋼結構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，加勁板構造較為復雜，內部應力分布不明確，除了按規范要求進行驗算外，還需進行復雜的局部有限元分析，以確定其內應力分布，對節點進一步驗算。
    本文主要是在總結國家體育場鋼結構安裝工程[2]中的部分承載點設計與分析的基礎上，結合其他已建工程的承載點設計，提出承載點的設計分析要點。國家體育場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，多采用三點或四點吊裝，桁架柱在就位以前，要經歷脫胎、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，支撐塔架上設計了專門的支撐點與卸載點[3]。根據卸載分析[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，構造復雜，設計依據少，破壞后果非常嚴重，如在桁架吊裝過程中一旦吊點出現破壞，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
    鋼結構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；但由于承載點內部構造復雜，導致其內部受力狀態不明確。局部有限元分析的目的就是為了明確內部應力狀態，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格形式，通過自由度耦合來模擬接觸狀態，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，參數設置非常復雜，要特別注意的是接觸類型設置。另外接觸單元一定要在劃分網格之后生成。
    鋼結構節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。對接焊縫直接當作鋼結構的一部分；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，某些幾何變化顯著的位置也可能超過屈服強度。由于結構用鋼材料具有較好的塑性，應力應變關系接近雙線性，所以通常采用圖1所示的雙線性模型。根據結構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計強度f。

    圖1雙線性材料本構關系
    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構，一般不重用；(2)由于局部幾何連續性差，會導致應力集中，可以通過構造上保證塑性區域不發生破壞，但同時必須滿足設計規范規定的要求；(3)由于有限元分析將無限自由度的連續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影響設計者的信心，因此對塑性極限應該進行量化。根據多年來對上百個不同類型的節點分析與實施的經驗，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，還可以通過選擇截面來查看某個面上的應力情況，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行的驗算，所以承載點分析應該包括兩部分的結果，即按規范要求進行的驗算和有限元分析，并對有限元分析結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。根據吊裝方案，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，內部僅一塊橫向加勁板，厚度為16mm，因此與其他吊耳設計相比，該處母板更薄，內部無法加固，且荷載更大，因此D2的設計對于吊裝成敗是非常關鍵的。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系，采用殼體單元不是特別方便，主要是在AutoCAD是建區域非常麻煩，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，最終的施工實施也證明了這一點。


    圖5是吊耳D1的設計模型，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，結構內部的加勁對于防止結構在局部受力避免產生屈曲是非常有用的。因此如果結構本身無法能夠加強，承載點一定應該放置于有加勁板的位置上。
    5. 承載點的設計要點
    承載點的設計一般要考慮通用性，要根據受力狀態和構件的局部形式進行分組，并按承載力進行分級，以減少設計量。當施工上存在先后順序時，盡可能設計可重用的形式。設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，一般吊架用于內部結構無法滿足承載要求，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，復雜鋼結構施工力學問題的研究與應用[J]，施工技術，Vol.35，2006，pp1-5
    [2] 陳橋生，許立新，國家體育場鋼結構施工技術及研究[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(增刊)，Vol.35，2006，pp133-137
    [4] 郭彥林，郭宇飛，高巍等，國家體育場鋼結構屋蓋落架過程模擬分析[J]，施工技術，Vol.35，2006，pp36-40

    羅興隆：男，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，高級工程師，博士。E-mail: benjaminluo@163.com, 電話：13761054285
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