西院落保护棚36 m大跨钢箱梁吊点位置分析

2021-05-14马智刚曹丙山蔡泽帅江枣

工程建设与设计 2021年7期

马智刚，曹丙山，蔡泽帅，江枣

（1. 清华大学建筑设计研究院有限公司，北京100084；2. 北京市机械施工集团有限公司，北京100045）

1 引言

太子城遗址公园工程是北京冬奥会相关重点工程，西院落保护棚是本项目的重要建筑物。保护棚采用大跨度钢框架结构，将遗址进行遮蔽保护，外立面采用雪花格栅表示宫墙飘雪意向，强调了太子城遗址的皇家行宫性质，建筑效果如图1所示。

本工程结构主体采用钢框架，框架最大跨度36 m，采用窄截面钢箱梁，钢箱梁尺寸为1000 mm×250 mm×30 mm×40 mm。结构施工采用350 t 汽车吊跨外吊装施工，根据施工组织设计，钢箱梁分段运输到拼装场地，在现场拼装成36 m 大梁，通过汽车吊将大跨钢梁吊装就位。

图1 西院落保护棚建筑效果图

分块吊装施工是大型钢结构工程常用的施工作业方式。吊装施工过程中，构件的受力状态与构件在结构中正常工作的受力状态不同，因此，需要对吊装过程中构件的受力状态进行验算，以确保吊装过程中，构件处于安全状态。大跨钢梁吊装施工时，其吊点数量和位置的不同，将造成构件在吊装过程中处于不同的受力状态，如何合理确定吊点位置是需要深入分析的问题[1～3]。

2 计算及分析结果

2.1 计算模型

对本工程36 m 大跨度钢箱梁进行建模分析，分析软件采用Midas-Gen。钢箱梁采用梁单元进行模拟，吊索采用只受拉索单元进行模拟。钢箱梁截面为1 000 mm×250 mm×30 mm×40 mm，材质为Q355B，吊索截面直径43 mm，公称抗拉强度为1550MPa。钢梁长度36 m，采用2 个吊点的布置方式，吊钩距离钢梁垂直距离为10 m。计算模型如图2 所示，计算中仅考虑自重作用影响。

图2 计算模型

当吊点位于大跨钢梁两端时，钢梁在吊装时为两端简支梁，由于跨度大，跨中变形和应力将比较大。当两端吊点离开端点一定距离时，吊装过程中，钢梁边界条件变为中间段支撑，两端悬臂，梁的跨中变形和应力将逐渐变小，同时悬臂段的变形和应力将逐渐变大。因此，存在一个最优吊点位置使中间段和悬臂段在吊装过程中同时达到变形和应力基本一致并处于较小状态[4,5]。

2.2 吊点位置对箱梁变形的影响

以吊点和端部节点的距离L为变量，考虑吊点位置对钢箱梁变形的影响，计算结果如图3 所示。

图3 吊点位置与变形关系曲线

从图3 看出，当吊点和端部节点逐渐加大距离时，其悬臂段变形逐渐增加，由0 mm 逐渐增大到-35 mm，钢梁跨中变形逐渐变小，由-72.5 mm 逐渐减小到2 mm。当吊点距离端部节点约8.5 m 时，悬臂段钢梁变形和跨中变形同时达到变形较小，约-2.5 mm。

2.3 吊点位置对箱梁弯矩和应力的影响

以吊点和端部节点的距离为变量，考虑吊点位置对钢箱梁弯矩和应力的影响，计算结果如图4、图5 所示。

图4 吊点位置与弯矩关系曲线

从图4 看出，当吊点和端部节点逐渐加大距离时，其悬臂段负弯矩逐渐增加，由0 kN·m 逐渐加大到-600 kN·m，钢梁跨中弯矩由正弯矩逐渐变化到负弯矩，其弯矩值由937 kN·m 逐渐变化到-550 kN·m。

图5 吊点位置与应力关系曲线

从图5 看出，当吊点和端部节点逐渐加大距离时，其悬臂段应力逐渐增加，钢梁跨中应力先变小后增大。悬臂段应力由0 MPa 逐渐增大到35.3 MPa，钢梁跨中应力，由55.1 MPa 逐渐减小到12 MPa，然后开始增大到32 MPa。当吊点距离端部节点约8.5 m 时，悬臂段钢梁最大应力和跨中应力同时达到较小，约12 MPa。