基于有限元软件的提升架结构计算分析

胡丹辉

海盐县城市投资集团有限公司 浙江 嘉兴 314300

1 工程概况

某工程钢结构网架屋盖总覆盖面积为237 232 m2，屋盖呈自由曲面，最高点标高为41.30 m，平面尺寸约为772 m×248 m（图1）。屋盖采用双向正交正放网架结构，属交叉网架体系。屋盖网架采用圆钢管截面，采用带暗节点板的相贯焊连接节点，与支承钢柱连接采用铰接与刚接二种形式（图2、图3）。

图1 结构平面尺寸示意

图2 支承钢柱刚接形式

图3 支承钢柱铰接形式

网架采用液压同步提升方案进行施工，网架上弦标高约为30 m，提升总质量约5 900 t。网架支承结构采用钢管柱和钢管混凝土柱，周边的支承柱为倾角12°的斜柱，其余支承柱为直立柱，柱截面均为下大上小的圆台形状。

2 提升架计算及有限元分析

本工程提升架的形式主要分为4种[1-4]：第1种为牛腿形式提升架；第2种为格构式提升架，适用于本工程柱距为18 m的斜柱；第3种也是格构式提升架，适用于本工程柱顶铰接的钢柱；第4种为混凝土梁上提升架。有限元计算软件采用通用有限元计算软件SAP 2000以及ANSYS 15.0。

2.1 提升架1

柱顶设置牛腿，提升器放置在牛腿上，形成整体共同受力结构，牛腿为700 mm×400 mm×20 mm×25 mm箱型截面（图4）。使用ANSYS 15.0有限元软件建模计算分析：结构单元类型选为SOLID186；材料属性设定杨氏模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3；约束方式为钢柱底面三向约束；悬挑梁端部放置提升器部位施加竖向荷载1 570 kN，换算压强为17.5 MPa。

模型建成后进行网格划分（图5）。对结构有限元模型施加荷载计算分析，可得提升架结构应力云图和结构位移云图（图6）。不考虑应力集中，提升梁最大应力不超过233 MPa，悬挑牛腿最大下挠为1 cm，满足提升施工要求。

2.2 提升架2

提升架2的形式为格构式，3个短牛腿与格构柱形成下部支撑结构，横梁和悬挑梁形成上部支撑结构（图7）。

采用SAP 2000 V14.1有限元分析软件，选用梁、柱杆件单元建模。计算分析考虑最不利情况，选取的最大提升反力为670 kN。考虑恒荷载和活荷载组合，此外还考虑提升过程中的水平荷载，考虑的荷载组合与提升架1相同。经计算，提升架2最大挠度6 mm，最大应力比0.82（图8），满足提升施工要求。

图4 提升架1结构模型

图5 模型网格划分

图6 提升架1有限元计算结果

图7 提升架2结构模型

图8 提升架2有限元计算结果

2.3 提升架3

提升架3设置在D型柱区域，该柱柱顶为铰接连接（图9）。提升架3设置在钢管混凝土柱顶，柱顶设置牛腿，提升架放置在牛腿上。提升架3中抗拉、抗压立柱采用φ203 mm×14 mm钢管，立柱顶部设置横梁，横梁截面尺寸为300 mm×300 mm×20 mm×20 mm。提升梁放置在顶部横梁上，提升梁采用2个截面尺寸为300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm的H型钢。提升架立柱采用φ114 mm×4 mm作为缀杆，使提升架形成一个整体，具有一定的抗水平荷载能力，以满足提升要求。

图9 提升架3结构模型

采用有限元软件SAP 2000进行建模分析，计算分析考虑最不利情况，选取的最大提升反力为670 kN。考虑恒荷载和活荷载组合，此外还考虑提升过程中的水平荷载，考虑的荷载组合与提升架1相同。经计算，提升工况下提升梁前端最大挠度3 mm，杆件最大应力比0.74（图10），满足提升施工要求。

图10 提升架3有限元计算结果

提升架3牛腿截面为箱型1 080 mm×300 mm×20 mm×20 mm，材质为Q345B钢材。使用ANSYS 15.0有限元软件建模计算分析：结构单元类型为SOLID 186；材料属性设定杨氏模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3；约束方式为钢柱底面三向约束；对提升架柱脚位置施加竖向荷载280 MPa和－50 MPa。对结构有限元模型施加荷载计算分析，可得提升架结构牛腿应力云图和结构位移云图（图11）。不考虑应力集中现象，牛腿最大应力222 MPa，最大变形20 mm，满足提升施工要求。

2.4 提升架4

提升架4设置在混凝土梁上，柱脚设置预埋件，柱顶设置悬挑梁，提升器放置在悬挑梁的端部（图12）。提升架4主要分布在本工程建筑物4层夹层以及4层楼面外围部分，设置在混凝土梁上并且在梁顶设置高约500 mm小短柱，悬挑梁悬挑距离为1 m左右。短柱采用截面尺寸为300 mm×300 mm×20 mm×30mm的箱型结构，悬挑梁采用截面尺寸为600 mm×400 mm×20 mm×25 mm的箱型结构。

图11 提升架3牛腿有限元计算结果

图12 提升架4结构模型

计算采用有限元分析软件SAP 2000进行模拟分析，提升反力为250 kN，水平荷载为25 kN。经计算，在提升工况下提升梁前端最大挠度为7 mm，提升架杆件最大应力比为0.55（图13），满足提升施工要求。

图13 提升架4有限元计算结果

3 下吊点临时杆件有限元分析

在网架节点上增加4根杆件并汇交于一点作为提升下吊点，对下吊点结构采用有限元分析软件ANSYS 15.0进行计算分析。下吊点结构主要有φ450 mm×20 mm、φ450 mm×25 mm、φ500 mm×25 mm这3种规格，计算分析如下[5-9]：

1）规格1：焊接球尺寸为φ450 mm×20 mm，材质为Q345，荷载672 kN。不考虑应力集中点，经有限元计算（图14），最大应力为256 MPa，满足提升要求。

2）规格2：焊接球尺寸为φ450 mm×25 mm，材质为Q345，荷载为840 kN。不考虑应力集中点，经计算，最大应力为271 MPa，满足提升要求。

3）规格3：焊接球尺寸为φ500 mm×25 mm，材质为Q345，荷载为1 498 kN。不考虑应力集中点，经计算，最大应力为280 MPa，满足提升要求。

图14 规格1焊接球有限元计算

4 结语

1）根据各形式的提升架有限元分析结果可以得知：提升架1结构最大应力出现在柱顶与牛腿连接处；提升架2结构最大应力比出现在顶部横梁处；提升架3结构最大应力比出现在格构柱竖向柱上；提升架4结构最大应力比出现在靠近悬挑梁处的短柱上。因此在设计和加工提升架时，这些地方的构件与节点要加强。

2）对3种焊接球上的下吊点临时杆件结构进行了有限元分析，验证了此种提升方法安全可行。根据有限元分析结果可以发现，焊接球与杆件连接处应力较大，实际施工时此处要加强。

3）本文基于SAP 2000和ANSYS有限元软件，对施工过程中的提升架结构进行了有限元计算分析，为提升架结构承载力和使用功能的可靠性、安全性分析提供了可靠的计算依据。尽管文中只列出了4种提升架结构形式，但也可以参照此有限元分析方法对其他形式的提升架结构进行有限元分析。