大跨度平面桁架翻身起吊施工

张弓

（太原市高速铁路投资有限公司 山西太原 030000）

1 概况

本项目为火车站雨棚结构，雨棚结构的钢结构部分由钢柱、主次桁架、水平垂直支撑等次构件组成，柱网为135m×241.5m平面分布，纵横向各5跨，主桁架30榀，次桁架75榀，主次桁架为平面格构式钢桁架结构，主桁架一榀最大跨度27m，次桁架一榀最大跨度53.3m，最大高度5.2m。整榀主次桁架均采用散件卧拼的方式在现场拼装，拼装完毕后再进行桁架整体翻身吊装。所以对整榀桁架平面外刚度有较高的要求，此项尺寸控制直接影响钢桁架的安装尺寸，本文就此问题对桁架翻身施工结合ansys软件给予有限元模拟分析。

2 翻身吊装前的测控

桁架翻身吊装前，首先需待桁架拼装焊缝焊接完毕，超声波探伤检测完毕，焊缝合格后选用莱卡TC702全站仪进行整体测控，把控桁架的整体尺寸，保证拼装尺寸，为翻身起吊后的尺寸偏差控制提供数据支持。按照《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205—2001）[1]表D.0.1的要求，拼装尺寸需满足表1的要求。

表1 梁、桁架预拼装的允许偏差/单位：mm

3 翻身吊装及变形量

本文以53.3m次桁架作为分析对象，桁架翻身采用2台80t履带吊进行双机抬吊，桁架重量约16t，每个吊点吊装重量约8t。根据整榀构件的重心位置，在桁架两侧接近对称位置选取两个吊装点，吊装时80t履带吊翻身下架工况：作业半径12m，主臂25m，单机额定起重量为13.6t，吊装采用6×37钢丝绳，直径39mm，重要吊装安全系数取8，经计算钢丝绳允许拉力81kN，吊装钢丝绳夹角控制在60°左右，钢丝绳长度7m左右。

按照《钢结构工程施工质量验收规范》表10.3.3的要求桁架侧向弯曲矢高f，当30m＜l≤60m时允许偏差在l/1000，且应≤30mm，由于工程设计杆件截面偏小、跨度较大、加工件累计偏差及现场拼装误差等诸多原因，实际工程中实测的桁架弯曲矢高远超出规范值。

4 有限元工况模拟分析

按照3D空间坐标，在有限元ansys分析软件中建立模型[2]，采用beam189单元模拟整个平面桁架，桁架上弦截面为方钢300mm×250mm×12mm×12mm，下弦截面为方钢 400mm×250mm×14mm×14mm，腹杆截面为方钢 200mm×200mm×8mm×8mm、方钢 180mm×180mm×6mm×6mm、方钢150mm×150mm×5mm×5mm三种截面，采用link8单元模拟钢丝绳，钢丝绳直径d=39mm，钢丝绳断面面积564.63mm2，计算采用MPa单位制，桁架下弦两端节点释放X轴旋转自由度，其余约束，吊点绑扎位置释放Y轴和Z轴自由度，其余约束，吊点释放Y轴自由度，其余约束。

经模拟计算，桁架从0°翻身到90°的过程中，当桁架旋转到30°时平面变形最大，达到96mm，桁架最大应力值136MPa，钢丝绳最大轴向拉应力140MPa，见图1。此后桁架变形逐渐减小，旋转到75°时变形已缩小到43mm，各工况应力变形统计详见表2。得出翻身的最不利工况为30°以下位置，故平面桁架卧拼时采用30°倾角拼装时，直接有利于后期翻身变形的控制。

图1 翻身30°工况吊装验算

表2 桁架翻身过程应力变形统计

5 采取的吊装加固措施

经分析，整榀桁架在翻身过程中是一个力矩平衡的受力模型，两个吊点的力矩与桁架自重反向力矩平衡，下弦位置受此力矩影响最大，两侧截面较大，跨中截面最小，此处变形也就最大，根据计算结果分析，跨中区域Y向变形＞Z向变形，这说明在翻身的过程中不仅有平面外的荷载，同时两吊点不完全对称，使得平面内也有Y方向的变形，受力情况较为复杂，处于多重应力叠加状态。

根据以上分析，为了强化平面桁架的整体刚度，有效减小平面弯曲矢高，拟在吊装的过程中控制上下弦的同步性，减少由于不平衡外力及力矩对跨中截面的弯曲作用。调整双机抬吊吊点个数，桁架上弦每台吊机四个吊装点，在每个吊装位置下弦增加2个固定点，用钢丝绳及倒链固定，在吊装前将倒链拉紧，吊机在缓缓翻身的过程中作业人员同步松掉倒链，待吊机吊装翻转到位松钩，再将倒链取下。

6 模拟验算

在采取以上吊装加固措施后整榀桁架的弯曲矢高明显减小，应力也相应更加趋于安全，利用ANSYS再次进行模拟计算，变形及构件应力情况见图2。为简化计算过程，模拟计算钢丝绳和倒链均选用link8单元模拟。

图2 翻身30°工况下弦加固吊装验算

另外经模拟验算，吊装位置不完全对称偏差、起重人员指挥不同步、双机抬吊不完全同步等因素对于整个桁架的变形也有较大的影响，可以采用小型吊机辅助吊装的方法，在上弦杆两侧节点及跨中节点施加10mm的强制位移，三个点的反力值分别为1.3t、6.9t、0.9t，可以安排两侧8t随车吊，中部25t汽车吊配合吊装施工，也是一种有效的减小弯曲矢高及构件最大应力的可行方案，吊装验算见图3。

7 结束语

图3 翻身30°工况改变吊点吊装验算

结合本工程的实际，大跨度平面桁架翻身吊装是一个受力工况较为复杂的过程，构件在力矩平衡的工况下跨度大、弯曲矢高较大，加之施工吊点的选取、上下弦受力的同步性、机具及人员作业偏差、桁架的拼装尺寸等因素的影响，都会给整榀桁架的弯曲矢高带来影响。本文通过软件的模拟分析，找到了翻身过程中的最不利位置以及实际加固措施的方法，有效减小了弯曲矢高，保证构件安装尺寸满足相关质量要求，望能给类似工程以借鉴。