Sap2000在美标吊车梁结构分析中的应用

黄 海 龙

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

国内水电设计人员参与国际工程越来越多，在国标还未完全走出去的形势下，运用欧美标准应对国际咨询公司审查，是对走向国际的水电工程师的基本要求。在进行吊车梁结构分析时，国内一般采用的理正工具箱等难以被国际咨询公司接受，而手工计算或查表法[1]涉及多跨(单跨)结构的影响线分析和内力包络等，操作不直观且较为繁琐。另外已有文献[2][3]进行了基于中外标准吊车梁的分析对比，但侧重于规范内容的对比，对于在Sap2000中的实现流程涉及不多。

基于此背景，本文结合老挝南部某在建水电工程，运用国际通用结构分析软件Sap2000，在美国标准(ACI 318及EM 1110-2-2104等)要求下对该电站安装间混凝土吊车梁进行结构分析，详细展示Sap2000在吊车梁结构设计中的应用流程及相关注意事项，以供需要的设计人员参考。

1 Sap2000结构分析流程

Sap2000是美国CSI公司开发的通用结构分析与设计软件，在世界范围内应用广泛。该程序分析功能强大，基本涵盖工程领域的所有结构分析需求，并提供集成式、可视化的操作界面，易于学习和掌握。Sap2000的结构分析流程与常规结构软件基本一致，详见图1。

2 Sap2000中吊车梁结构分析应注意的问题

2.1 吊车移动荷载施加方法

吊车梁上部吊车在移动时体现为吊车轮压荷载，结构在移动轮压的作用下，内力、位移等响应随荷载位置变化而不同。虽然Sap2000中并没有专门针对吊车荷载的荷载模式，但考虑到吊车移动时的荷载可类似桥梁车辆荷载，故可参考程序中的“桥梁荷载”方式模拟实现。实现流程如下：

定义车道(定义吊车轨道)→定义车辆(吊车轮压数据)→定义车辆类别(一般车辆)→定义桥梁反应(输出选项)→定义移动荷载分析工况。

2.2 端部(弯矩)释放

水电站厂房混凝土吊车梁布置形式一般可采用以下两种：

1)连续式现浇吊车梁。

在结构分析时应简化为多跨连续梁结构(见图2)，中间跨的支座处形成节点，在Sap2000中直接施加铰接(简支)约束，不可进行端部释放。

2)多跨简支吊车梁。

多跨简支梁在Sap2000中建立模型后，中间支座处应进行弯矩释放的操作(见图3)。在程序中通过“指定”—“框架”—“释放/部分固定”来实现端部弯矩的释放。

3 工程实例应用分析

本工程安装间布置于主厂房左侧，为典型的排架柱结构体系。安装间尺寸为38.0 m×24.0 m(长×宽)，排架柱共五跨，柱间距7.4 m。工程采用250 t/50 t级桥式吊车，吊车梁初拟矩形断面，尺寸0.8 m×1.4 m(宽×高)。布置方式考虑连续现浇混凝土吊车梁和预制简支梁两种方案，如图4，图5所示。

桥式吊车基本参数：额定起重量250 t/50 t，最大轮压Pmax=410 kN，单侧轮数各8个。

3.1 计算模型

考虑吊车梁的两种设计方案，在Sap2000中通过新建模型(现有梁模板)，分别建立计算模型1(如图6所示)和模型2(如图7所示)，并赋予梁断面及材料属性(采用美标5000psi混凝土)。

3.2 计算荷载

吊车梁上主要荷载为吊车梁自重、轨道(及上部细石混凝土)自重、吊车竖向轮压及竖向冲击力、吊车水平刹车荷载等。其中纵向水平刹车力沿轨道方向由吊车梁传给排架柱，计算吊车梁截面时不考虑。

荷载计算根据Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures(ASCE 7-10)执行，主要荷载计算方法与国内基本一致。下面重点对吊车竖向移动荷载的计算和施加方式加以说明。

根据ASCE 7-10第4.9节要求，对于动力式有驾驶室操作的吊车，考虑竖向冲击(振动)作用时，最大轮压应放大25%。因此单个轮最大竖向荷载为：

P=Pmax·(1+25%)=410×1.25=512.5 kN。

竖向移动轮压在Sap2000中的实现流程如下：

1)定义车道(定义吊车轨道)。

通过菜单“定义”—“桥梁荷载”—“车道”，将5跨吊车梁框架依次添加为吊车运行轨道。其中，中心线偏移定义为吊车荷载的偏移布置(本工程取为0)，车道宽度影响对吊车荷载可忽略，其余按默认设置。

2)定义车辆(吊车轮压数据)。

通过菜单“定义”—“桥梁荷载”—“车辆”，将单侧8个轮压作为轮轴荷载添加至车辆数据中，并根据轮压分布确定荷载间距，其余按默认设置，设置界面如图8所示。

3)定义车辆类别(一般车辆)。

通过菜单“定义”—“桥梁荷载”—“车辆类别”，选择上一步定义的车辆“Crane wheels”，比例系数选为1。

4)定义桥梁反应(输出选项)。

通过菜单“定义”—“桥梁荷载”—“桥梁反应”，选择需要输出的结果。

5)定义移动荷载分析工况。

通过菜单“定义”—“荷载工况”，添加新的荷载工况，选择“Moving load”类型，按默认添加车辆荷载。

通过荷载分析与施加操作，得到吊车梁的结构荷载简图如图9所示。

3.3 荷载组合

根据ACI 318-14第5.3节要求，确定吊车梁计算工况选用：

U=1.2D+1.6L。

其中，U为需求强度；D为恒荷载；L为活荷载(含吊车荷载)。

4 吊车梁结构分析

经Sap2000运行分析，可快速获得吊车竖向轮压作用下结构的弯矩、剪力包络图及变形挠度图，见图10～图12。吊车横向水平荷载由小车刹车时引起，作用位置与吊车竖向轮压一致，结构内力影响线亦相同，故计算方法与吊车竖向轮压计算类似，本文不再叙述。

根据美标ACI318及EM 1110-2-2104相关要求，参考类似文献[2]，可对吊车梁结构进行承载能力计算和正常使用极限状态验算，本文进行了模型1与模型2的内力、变形与配筋对比，见表1。

表1 计算模型1与模型2的内力、变形与配筋结果对比

由上述内力与配筋成果可知：

1)连续梁结构(模型1)的弯矩、挠度及配筋量(除最大剪力外)均小于简支梁结构(模型2)，从工程成本上可节省钢材约15%。

2)简支梁结构(模型2)因结构内力(弯矩)较大，经EM 1110-2-2104附录D方法复核，初拟吊车梁断面(800 mm×1 400 mm)已不能满足要求，需将梁高增至1 500 mm，并提高混凝土标号才可满足美标要求，在一定程度也提高了造价。

5 结语

1)工程中厂房吊车梁结构可采用连续梁或简支梁形式。简支梁结构传力清晰、构造简单，多采用预制，而连续梁结构受力和变形相对较小，节省工程投资。本实例中考虑预制简支梁构件较重，现场条件无法吊运安装，不能实现提前预制节约直线工期的效果，且连续梁方案总体造价较低，具有一定经济效益，故选用多跨现浇连续吊车梁结构。吊车梁施工完成后顺利通过了荷载试验，运行良好。

2)Sap2000中可通过截面设计器自定义梁断面形式，尤其是工程常用的T型断面吊车梁。程序能够方便且快速的完成不同跨数、断面、轮跨比等多方案的对比分析，大大提高工程设计人员效率。同时，Sap2000也适用于钢结构分析，较好的适用于钢吊车梁的结构分析。

3)通过实例分析，Sap2000在进行不同吊车梁结构分析时具有方便快捷、直观可靠的优势，能较好的模拟吊车移动荷载并快速获取结构内力和变形等成果，满足设计要求。在国际水电业务进一步拓展的形势下，推广使用Sap2000结构分析程序，以其功能强大及国际通用的特点，可更好地适应国际工程结构设计的需要。

参考文献:

[1] 姜 慧，杨晓龙，林克昌.工业厂房现浇钢筋混凝土连续吊车梁的实用计算与设计[J].工业建筑，2007，37(3)：42-45.

[2] 卢丹玫.中美混凝土规范在水电站厂房吊车梁结构计算对比[J].红水河，2014，33(1)：18-23.

[3] 王开惠，蒋 辉，李立昌.中澳规范吊车梁设计异同比较[J].钢结构，2010(6)：43-47.

[4] 张殿双，姜树立，胡顺志.莲花水电站厂房吊车梁优化设计[J].东北水利水电，2004(22)：16-20.

[5] ASCE 7-10,Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].

[6] ACI 318-14,Building Code Requirements for Structural Concrete commentary[S].

[7] EM 1110-2-2104,Strength design for reinforced-concrete hydraulic structures[S].

[8] 郭 强，刘玉玺，李永胜，等.喀麦隆曼维莱水电站厂房吊车梁结构设计[J].水利水电工程设计，2017，36(3)：31-33.