大型钢桁架临时支撑体系的数值模拟研究

徐福宾 肖 强 陈小良 彭 丹

(1.军事医学科学院院务部，北京 100850； 2.中国人民解放军总医院第一附属医院管理处，北京 100048)



大型钢桁架临时支撑体系的数值模拟研究

徐福宾1肖 强1陈小良1彭 丹2

(1.军事医学科学院院务部，北京 100850； 2.中国人民解放军总医院第一附属医院管理处，北京 100048)

采用美国大型有限元计算软件SAP2000，建立三维模型，对某博物馆工程大型钢桁架施工过程中的临时支撑体系进行了数值模拟分析，计算了几种不同荷载组合工况，得到了支撑架的应力、应变分布规律。

钢桁架，临时支撑体系，弹性杆件单元，数值模拟

0 引言

近年来钢结构建筑迅猛发展，越来越多的建筑采用钢结构形式。由于钢桁架具有节点形式简单、刚度大、几何特性好、抗压和抗扭性能好、施工简单、节省材料、有利于防锈与清洁维护以及可以应用于跨度和载荷都比较大的建筑等优点，在大跨度建筑如博物馆、体育馆、人防指挥所等被广泛采用，但是钢桁架一般不能一次吊装完成，需要临时支撑以便拼装。目前，国内对钢桁架临时支撑体系研究的不多，主要还停留在对施工方案是否合理、如何安装吊装以及如何焊接等施工技术和施工工艺上，对钢桁架临时支撑体系的受力分析研究少，理论严重滞后于实际应用。

唐永杰等对超重大型钢桁架进行了研究，主要就超重、大型钢桁架施工工艺进行了分析和总结；

柏庆丰基于三维有限单元法建立了仿真分析模型，计算了分层搭设临时支撑的安装方法对应工序的结构反应；

张卫东对新沂河特大桥主桥临时支撑体系进行了探讨，阐述了临时支撑体系的使用原则和程序；

刘志强结合工程实际对钢结构屋面滑移施工中的临时支撑进行了简要分析，并利用Midas Gen软件进行了验算，提出了临时支撑设置要求；

褚世仙等结合实际工程在体育馆钢桁架施工期间，对临时支撑体系进行了监测，提出了临时支撑体系安装要求；

冉孟安以人防指挥大厅为例，对大型钢桁架支撑系统的建造、安装、拆除和加固等进行了阐述，提出了一些施工时应注意的要点和需采取的措施。

以上研究着重于施工技术和施工方案等施工环节，对大型钢桁架支撑体系本身的受力研究不足。为此，本文采用SAP2000建立三维模型，对某博物馆大型钢桁架支撑体系的受力情况进行数值模拟分析研究。

1 工程概况

某工程为一博物馆，地下3层，地上8层，在2层顶部空间设置大跨度转换桁架，如图1所示，在轴,轴，轴,轴处分别布置有主桁架，共四榀，跨度39.6 m，主桁架上弦顶面标高为11.27 m、下弦底面标高为6.27 m，桁架上弦顶部与下弦底部高度为5 m。主桁架下弦杆间通过水平支撑和系杆连接，主桁架上弦杆间通过H型钢梁连接。跨度达39.6 m的每榀主桁架重达160多吨。在⑤轴及⑥轴处即主桁架跨度三等分处设置纵向次桁架，共两榀。

2 模型建立及支撑反力计算

计算软件采用美国Computers And Structures公司研制开发的大型有限元计算程序SAP2000(V14版)，该软件是集成化的通用结构分析与设计软件，具有完善、直观和灵活的界面，包括全部Plus的功能，再加上动力非线性时程反应分析和阻尼构材、减震器、Gap和Hook构材等材料特性，它主要适用于分析带有局部非线性的复杂结构。计算模型采用空间三维实体模型，以钢结构相关规范、吊装规程等资料为依据。

为了进行支撑体系的受力计算和分析，首先必须计算单榀桁架自重作用下支撑体系总的受力大小，然后提取支座反力施加到支撑架上。在建模时，桁架两端框架柱采用固定支座进行模拟、分段处支撑架采用铰支座进行模拟。计算过程中考虑了起吊安装过程中的轻微的晃动、起吊过程的加速等，将吊重乘以1.1的安全系数来考虑这些不利因素的影响。钢桁架模型杆件选用两节点、六自由度的Frame单元模拟，按弹性杆件单元考虑，该单元可以考虑拉(压)、弯、剪、扭四种内力的共同作用。经SAP2000计算可知，如图2所示，在桁架下弦分段处、支撑架支撑位置处所受的反力最大，为479.5 kN。

3 支撑架数值模拟分析

3.1 支撑架模型建立

支撑架材料采用Q235钢，屈服强度fy=235 N/mm2。上部圆管支撑架每个标准节尺寸为1.5 m×1.5 m×3 m；下部圆管支撑架每个标准节尺寸为1.5 m×1.5 m×2 m；其中立杆采用φ168×8，腹杆φ89×5；节点采用法兰连接，连接法兰板板厚16 mm，其他节点板厚12 mm，顶部斜撑采用H型钢制作，型号为H600×300×12×16。支撑架底部与地面铰接，杆件之间的连接也为铰接，支撑架计算模型和三维模型如图3所示。

为有效增加-8.550 m楼层面的受荷面积，减小楼板面混凝土的承压力，在-8.550 m楼层面上设置H型钢转换梁结构，即上部圆管支撑架的底座，通过H型转换梁结构，将上下两部分支撑架连接固定成一个整体。转换钢梁下部设置四个短柱与-8.600 m标高楼层预埋板焊接固定。通过转换钢梁上翼缘与上部圆管截面支撑架连接固定，下部与楼层预埋板焊接固定，形成一个整体，转换钢梁底部与楼层面的间隙采用薄铁块、钢板等填塞充实。如图4所示，转换梁采用截面为H300×200×8×10的H型钢两两焊接而成。

3.2 支撑架受力分析

支撑架设计参数：支撑架最大高度为24.57 m，根据反力计算得出承受竖向力最大值为47.95 t(479.5 kN)；根据施工经验考虑施工活荷载1 t(10 kN)；考虑水平推力1 t(10 kN)。支撑架验算及设计荷载工况及组合如下：DEAD：恒荷载(竖向479.5 kN、水平10 kN)，LIVE：活荷载(竖向10 kN)。荷载组合工况：DSTL1：1.35DEAD+0.98LIVE；DSTL2：1.2DEAD+1.4LIVE；DSTL3：1.0DEAD+1.4LIVE。

运用SAP2000(V14版)对三种荷载组合情况进行模拟计算，可知在荷载工况DSTL1作用下对支撑架最不利。

在荷载工况DSTL1作用下支撑架杆件的最大压力为292.437 kN，位于下部圆管支撑架的最下端立杆上。

在荷载工况DSTL1作用下支撑架杆件的最大弯矩为173.7 kN·m，位于支撑架顶部的H型钢交叉撑上。

在荷载工况DSTL1作用下支撑架最大水平位移为39 mm，最大竖向位移为3.59 mm。

在荷载工况DSTL1作用下支撑架各杆件最大应力比为0.415，位于支撑架最下端立杆上，远小于杆件应力比控制值0.95的要求，可知杆件强度满足规范要求。

按照GB 50017—2003钢结构设计规范的相关规定计算得结构的应力比柱状图如图5所示，从柱状图和计算结果可以分析得出：支撑架最大应力比发生在编号106号杆件，其值为0.415，小于钢结构的允许应力比。通过以上对支撑架的计算模拟分析我们可以看出，支撑架的轴力图、弯矩图以及变形图均符合基本力学规律，该支撑架满足在该施工状态下强度、刚度和稳定性的要求。

4 结语

1)利用大型有限元计算程序SAP2000给出了大型钢桁架临时支撑体系的数值模拟研究方法，计算和工程实际表明该方法是可行的。

2)计算了几种不同荷载组合工况，得到了支撑架的应力、应变分布规律。

3)得到了支撑架的破坏规律：破坏主要位于支撑架最下端立杆处的压弯破坏，支撑架杆件的最大压力位于下部圆管支撑架的最下端立杆上，支撑架杆件的最大弯矩位于支撑架顶部的H型钢交叉撑上。

4)为今后类似工程提供宝贵经验。

[1]唐永杰，夏 娟.超重大型钢桁架现场焊接吊装.青岛理工大学学报,2008,29(6):51-56.

[2]柏庆丰.上海港国际客运中心音乐文化中心工程悬挂式钢结构施工技术.绿色施工,2012(1):63-65.

[3]张卫东.新沂河特大桥主桥临时支撑体系.山西建筑,2010，36(24):324-325.

[4]刘志强.浅论钢结构屋面滑移施工中的临时支撑.技术交流,2013(4):232-234.

[5]褚世仙，杨雷生.东胜体育场钢结构施工临时支撑体系监测.现代测绘,2011,34(2):5-6.

[6]冉孟安.人防指挥所工程大厅被覆施工支架的设计与应用.科技风,2012,11(下):146-150.

[7]GB 50017—2003，钢结构设计规范.

Study on numerical simulation of large steel truss of temporary support system

Xu Fubin1Xiao Qiang1Chen Xiaoliang1Peng Dan2

(1.DepartmentoftheAcademyofMilitaryMedicalScience,Beijing100850,China；2.TheFirstAffiliatedHospitalofGeneralHospitalofPLA,Beijing100048,China)

With the large finite element software SAP2000 establish three-dimensional model, on a museum project in the construction process of large steel truss temporary support system are analyzed in numerical simulation, calculate the working condition of several different load combinations, to get the stress and strain distribution of brace.

steel truss, temporary support system, the elastic element, numerical simulation

1009-6825(2015)01-0039-02

2014-10-26

徐福宾(1973- )，男，高级工程师； 肖 强(1985- )，男，硕士，工程师； 陈小良(1963- )，男，高级工程师； 彭 丹(1986- )，女，硕士，会计师

TU755.22

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