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钢结构施工中局部承载点的设计与分析方法

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    罗兴隆
    (上海宝冶建设有限公司，上海 200941)

    [摘要] 在大型钢结构安装过程中，经常涉及到局部承载点如吊耳、锚点、支撑点等的设计。本文根据规范和相关理论，给出了吊点局部分析的要点，特别对分析模型及荷载约束条件的给定进行了探讨，说明在某些情况下考虑材料非线性及接触非线性的必要性，并对承载点的设计提出了参考意见。
    [关键词] 局部承载点; 材料非线性; 接触非线性; 施工力学

    1. 概述
    郭彦林等[1]提出大型复杂施工过程中的力学问题分为12类，但是由于实际钢结构施工过程的复杂性，这些分类终难以覆盖所有的施工力学问题，本文所提出的施工过程中的承载点设计，也是一个关键的施工力学问题。虽然以往对钢结构局部力学特性研究较为深入，但基本上难以应用到工程实际。本文以实际工程为背景，针对国家结构规范的相关规定，来探讨承载点设计和分析方法，并给出了这类承载点确定其承载能力的方法。
    在钢结构施工的各个环节，经常会遇到局部受较大集中荷载作用的施工节点，这里称为承载点，如钢结构单元的吊装、提升和滑移锚点，钢结构就位或卸载时的局部支点等。由于各方面条件的限制，这些承载点承载面积较小，加劲板构造较为复杂，内部应力分布不明确，除了按规范要求进行验算外，还需进行复杂的局部有限元分析，以确定其内应力分布，对节点进一步验算。
    本文主要是在总结国家体育场钢结构安装工程[2]中的部分承载点设计与分析的基础上，结合其他已建工程的承载点设计，提出承载点的设计分析要点。国家体育场东区钢结构工程的桁架柱采用两段吊装，最大分段的重量达到350t，多采用三点或四点吊装，桁架柱在就位以前，要经历脱胎、翻身和起吊等不同受力阶段，单点最大拉力达到100t以上。主桁架采用分片吊装，包括立体桁架与平面桁架。桁架就位于支撑塔架之上，考虑到卸载，支撑塔架上设计了专门的支撑点与卸载点[3]。根据卸载分析[4]，单点最大压力达到355.8t。这里称受拉的承载点为吊点(柔性连接的节点)，受压的称为支承点，既可受拉又可受压的点称为锚点。
    这些承载点承受荷载大，构造复杂，设计依据少，破坏后果非常严重，如在桁架吊装过程中一旦吊点出现破坏，如此大的吊装单元从空中坠落，将会直接威胁到施工人员的生命安全，造成重大的财产损失和工期延误；同时荷载的急剧变化，也可能会导致起重机械的失衡。因此局部承载点的合理设计非常重要。
    2. 局部分析时采用的计算模型及荷载约束条件
    钢结构承载点作为一个整体，受力情况一般比较明确，为单向受拉或受压；但由于承载点内部构造复杂，导致其内部受力状态不明确。局部有限元分析的目的就是为了明确内部应力状态，确定承载点是否满足承载能力的要求。
    由于支撑点是整个体系中不可分割的部分，如果取整个体系进行分析，会导致计算的规模太大，甚至超出计算机的运算能力，所以一般应该取体系中的一部分进行分析。计算模型应该充分考虑承载点的受力特点，尽可能采用清晰的边界。如果无法确定清晰的边界，可以取远离承载点的位置作为边界，边界到承载点中心距离宜不低于承载点在该方向最大尺寸的3倍。
    建模方法可以采用多种形式，可以采用AutoCAD等建模软件建模再导入到计算软件如ANSYS中，也可以直接采用ANSYS建模。由于大部分工程人员熟悉AutoCAD，这部分建模工作不必由计算人员完成，所以采用AutoCAD建模的优势在于减轻计算人员的工作量。采用AutoCAD建模时，实体单元用Solid物体，面单元采用Region物体，再输出(Export)为.sat文件，导入到ANSYS中。
    建模时尽量将各物体分开，在ANSYS中采用胶合(glue)的方式将各部分连接成整体；对于光滑的接触表面，接触的部分采用一致的网格形式，通过自由度耦合来模拟接触状态，避免采用接触单元，以减少非线性造成的计算耗时；对于存在间隙可能接触的表面，或者无间隙但需要考虑摩擦时，就应该采用接触分析，如滑动支承点等。接触问题属于高度非线性问题，计算时间较长，参数设置非常复杂，要特别注意的是接触类型设置。另外接触单元一定要在划分网格之后生成。
    钢结构节点通常通过高强度螺栓或焊缝连接，采用有限元分析时对高强度螺栓与焊缝的直接模拟较为复杂，如果不是特别必要，一般不直接建模，作刚性连接处理。高强度螺栓模拟时，由于钢板之间存在非常大的摩擦力，可以不考虑螺栓杆与孔壁之间的间隙。螺栓杆施加预应力，螺栓杆与孔壁之间、螺帽与钢板之间、钢板之间采用接触单元模拟，需要考虑摩擦系数。对接焊缝直接当作钢结构的一部分；而角焊缝模拟时，可以分别对角焊缝与两连接物体进行粘合(glue)，而物体之间采用接触单元模拟。
    由于一般承载点几何构造不连续，导致部分位置应力集中严重，即使在外荷载不大时，某些几何变化显著的位置也可能超过屈服强度。由于结构用钢材料具有较好的塑性，应力应变关系接近双线性，所以通常采用图1所示的双线性模型。根据结构用钢强屈比和延伸量的一般情况，取切线模量 为弹性模量E的1/100。由于是支承点有限元分析主是是进行承载能力验算，因此屈服强度一般取材料的设计强度f。

    图1双线性材料本构关系
    为了降低计算模型的规模，应该考虑：(1)充分利用模型及荷载约束条件的对称性；(2)忽略一些次要的部件，如对受力影响较小的稳定小加劲板；(3)对于几何连续性较好的区域，采用较粗的网格尺寸；(4)对于板件，尽可能采用壳单元来代替实体单元；(5)尽量减小不必要的非线性因素，如采用粘接来代替接触。

    3. 局部分析的计算方法及结果分析
    通常情况下，承载点受力情况存在一些不确定的因素，因此需要采用多模型多荷载组合进行分析；同时对于荷载较大材料可能进入非线性状态的情况，应该采用分步加载。分步加载既可以是等比例加载，也可以是非等比例加载。非等比例加载多用于受力情况比例复杂，也就是外荷载是由多种简单荷载元素构成，这里定义简单荷载包括单个的点、线、面、体荷载。多模型、多荷载组合及分步加载的结果对于承载点补强措施、安全方案、应急预案的制定都有非常重要的作用。
    对于构造复杂的承载点，一般应该允许材料部分进行塑性。这里主要考虑以下几种因素：(1)承载点多属于临时结构，一般不重用；(2)由于局部几何连续性差，会导致应力集中，可以通过构造上保证塑性区域不发生破坏，但同时必须满足设计规范规定的要求；(3)由于有限元分析将无限自由度的连续体等效成有限自由度的离散体，这个过程本身存在强制的约束，导致计算结果偏高，特别是应力峰值偏高的情况。
    出现塑性结果的情况毕竟会影响设计者的信心，因此对塑性极限应该进行量化。根据多年来对上百个不同类型的节点分析与实施的经验，这里提出两种要求：(1)塑性应力区域较小，一般该区域不应该大于主要受力板件平面最小尺寸的1/10；(2)对于钢材，要求强屈比不超过1.2，也就是应力峰值不超出屈服强度的1.2倍。鉴于上述两点，这里不建议使用理想弹塑性模型，因为这样体现不了应力峰值。
    前面讲过，采用ANSYS分析时要尽量将各个物体分开，这样就可以查看各物体的结果。主要方法是先选择物体(体或面)，再选择与物体对应的单元，就可以查看其结果。另外，还可以通过选择截面来查看某个面上的应力情况，还可以按结果的值范围选择查看的单元，这样后处理特别方便。
    有限元分析的结果不能够代替按规范要求作进行的验算，所以承载点分析应该包括两部分的结果，即按规范要求进行的验算和有限元分析，并对有限元分析结果应该进行详尽的讨论。
    4. 国家体育场桁架柱吊耳分析
    这里以国家体育场的一个典型桁架上柱即C21上柱的吊耳分析为例进行说明。之所以作为例子，不但是因为该桁架上柱的吊耳包括了国家体育场东区吊装时用到的两类吊耳，即板式吊耳与圆管吊耳；而且还因为该桁架上柱中的一个主吊耳即下面的D-3受力大，附着的板件薄，设计难度大。
    图2是国家体育场C21柱上柱吊装时辅助吊点的布置图，桁架上柱吊重351t。其中吊耳D1实际为两个，位于桁架柱的两侧。根据吊装方案，桁架柱下架与翻身时采用双机抬吊，利用吊耳D1~D3共3个吊点，吊装及就位采用单机起吊，利用吊耳D2~D5共4个吊点。根据脱胎与直立的分析，A弦杆上的吊耳D2下架时拉力为101t，起吊时拉力为120.8t，吊耳D1合力最大值为166.6t[5]。

    图3是位于A弦杆上的主吊点D2的有限元模型，对应位置截面为1200×1200×20×20mm，内部仅一块横向加劲板，厚度为16mm，因此与其他吊耳设计相比，该处母板更薄，内部无法加固，且荷载更大，因此D2的设计对于吊装成败是非常关键的。这里D2~D5均为板式吊耳，其中D2的耳板厚度为50mm，耳板孔边加强环板、U形加劲板和小加劲板厚度均为20mm。
    为了加载的方便，在耳板孔处加一半圆柱，其直径截面法向与吊绳方向始终保持一致。根据桁架上柱的吊装方案，桁架上柱从下架到就位要经历翻身直立和起吊两种情况，吊绳方向及拉力值均不相同[5]，通过调整半圆柱截面方向来考虑吊绳方向，通过截面上施加的压力总和来考虑拉力值。计算取的弦杆长度为3220mm，约束条件取弦杆两端固接。对于这种复杂的几何关系，采用壳体单元不是特别方便，主要是在AutoCAD是建区域非常麻烦，而且在ANSYS中处理也不方便。
    吊点的主应力情况如图3所示，第一主应力与等效应力均超过屈服强度，但等效应力的峰值大约为屈服强度的1.2倍，通过对塑性的提取发现，塑性区域非常小，因此这里认为吊耳的设计是安全的，最终的施工实施也证明了这一点。


    图5是吊耳D1的设计模型，在实际使用时，将在圆管处包一铁皮，以减少钢丝绳的磨损。在实际计算时，将此铁皮简化成半圆管，以方便在截面上加载，半圆管与圆管采用光滑类型的接触，这种加载方式与实际使用情况接近。另外，该吊耳的圆管长度较大，以方便重复利用。D1是在所有东区的桁架上柱与下柱的直弦杆上使用，这样节省了钢材和加工时间。

    国家体育场在卸载时，用到了支撑点，该点主要承受压力。从实践来看，结构内部的加劲对于防止结构在局部受力避免产生屈曲是非常有用的。因此如果结构本身无法能够加强，承载点一定应该放置于有加劲板的位置上。
    5. 承载点的设计要点
    承载点的设计一般要考虑通用性，要根据受力状态和构件的局部形式进行分组，并按承载力进行分级，以减少设计量。当施工上存在先后顺序时，尽可能设计可重用的形式。设计时要充分考虑加工和安装的方便。
    承载点的位置尽可能与构件局部的加劲板相对应；对于内部刚度不足的情况，在可能的情况下要对内部进行加固。
    对于吊装或者提升用的锚点，除了上述的圆管吊耳与板式吊耳，还可以考虑采用吊架、套索等多种形式，一般吊架用于内部结构无法满足承载要求，但又无法加固或者加固也满足不了承载要求的情况。
    承载点除了满足计算要求外，还应该增加必要的加劲板，以减少板件的宽厚比，使之满足板件的局部屈曲要求。
    参考文献
    [1] 郭彦林，刘学武，张庆林等，复杂钢结构施工力学问题的研究与应用[J]，施工技术，Vol.35，2006，pp1-5
    [2] 陈桥生，许立新，国家体育场钢结构施工技术及研究[J]，Vol.35，2006，pp41-46
    [3] 罗兴隆，陈桥生，蒋振彦，采用液压设备控制的大跨度钢结构卸载分析方法[J]，施工技术(增刊)，Vol.35，2006，pp133-137
    [4] 郭彦林，郭宇飞，高巍等，国家体育场钢结构屋盖落架过程模拟分析[J]，施工技术，Vol.35，2006，pp36-40

    罗兴隆：男，1969年9月生于湖北大冶，现任上海宝冶建设有限公司钢构设计院院长，高级工程师，博士。E-mail: benjaminluo@163.com, 电话：13761054285
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