钢桁梁整节段吊装吊点有限元分析.pdf

第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2022-10-05 作者简介：陈建宇（1997-），男，贵州大学土木工程学院，学生。钢桁梁整节段吊装吊点有限元分析 陈建宇，王学敏 刘雷轩（贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025）摘 要：钢桁梁梁段整节段吊装在桥梁主梁施工中得到广泛的使用。文章以 Midas Civil 有限元分析软件为工具，建立钢桁梁节段的三维有限元模型，并对给定起吊条件下钢桁梁起吊点进行有限元分析，并做了相关理论计算，重点讨论了两种起吊点的受力情况，对于钢桁梁段的起吊点选择提供了一定的依据。关键词：整节段吊装；钢桁梁；吊点；有限元 中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0141-03 钢桁加劲梁的安装设备种类很多，可适用桥面（悬臂）吊机、缆索吊机、跨缆吊机、浮吊等已知的几乎所有吊装手段。钢桁梁吊装顺序，根据施工设备和结构设计的不同，既可以采用从跨中开始吊装，也可以从索塔位置开始向跨中位置吊装的顺序。钢桁梁按施工吊装基本单元分类可分为按单根杆件、桁片（平面桁架）、节段（空间桁架）架设 3 种方法1。（1）单根杆件架设方法，就是将组成加劲桁架的杆件在加工完成后运至现场，吊装至设计位置构成加劲梁桁架。这种架设方法以杆件作为架设单元，其重量小，搬运方便，可使用小型的架设机械。但杆件数目多，费工费时，从安全和工期来说都不利，很少单独使用。（2）桁片（平面桁架）架设方法，就是将杆件单元，组拼成主桁架、平联及横联等片状桁片（平面桁片），按桁片运入现场逐次进行吊装。桁片的长度一般为 23 个节点之间，重量适中，架设比较灵活。（3）节段（空间桁架）架设方法，就是将上述桁片在工厂组装成加劲桁架的节段，由大型驳船或运梁平车运至预定地点，吊装至设计位置后逐段连接。这种方法无论在重量和工期方面都可以得到保证。近年来，随着桥梁施工中超高起重能力的施工机械的出现和对桥梁架设速度要求的提高，梁段整节段吊装施工方法在桥梁的施工中得到了广泛的使用2。在钢桁梁桥梁中，钢桁梁的架设基本全部采取整节段吊装架设。梁段杆件在工厂批量生产，通过化整为零的方式将杆件运输到桥址的钢梁拼装场地，在拼装场地将杆件拼装成标准的钢桁梁节段，运输至起吊位置进行钢桁梁节段的吊装。梁段桥址的拼装场地拼装，减少了大量的高空危险作业，有利于保障施工人员的安全；拼装工作可以与其他部分工程同时进行，相应地缩短了工期；对桥址周围的环境污染较小，具有良好的经济效益和环境效益。在钢桁梁节段吊装施工中，为了使结构杆件整体内力和变形较小，需要对吊点的位置布置进行合理的选择3。文中采用 Midas Civil 有限元软件，对实际起吊过程中的钢桁梁节段建立了梁段整体模型，分析吊点的受力情况，对几个受力吊点分别进行了力学分析，同时也对钢桁梁段起吊过程中梁段自身进行了强度的校核4。一、工程简介及有限元模型的建立 1工程简介 钢桁梁节段由主桁、横梁、上平联、下平联等组成。主桁为带竖杆的华伦式桁架，桁高 7.2m，标准节间长 7.5m，两片主桁中心间距为 27m，梁段重 140.15t。主桁上、下弦杆采用箱形截面，竖腹杆、斜腹杆采用“工”形截面5。横梁采用桁架式结构，纵向每 7.5m 设一道横梁，横梁与主桁等高，为 7.2m。横梁上弦杆、竖腹杆、斜腹杆均采用“工”形截面，下弦杆采用箱形截面。上、下平联布置形式采用 K形，杆件均采用箱形截面。2有限元模型的建立 图 1 钢桁梁节段几何模型 二、荷载及边界条件处理 钢桁梁所用的材料为 Q345 钢材6。相应参数为：弹性模量 E=2.061011Pa，泊松比=0.3，密度。计算荷载：结构自重。荷载组合为：结构自重试验荷载系数（取k=1.2）。计算时未考虑起吊过程中的动力响应，取钢桁梁段吊点为有限元节点，并将节点几个方向的位移进行全部约束。三、吊点选择 虽然钢桁梁节段比较对称，荷载分布也相对均匀，粗略采用对称的两吊点对梁节段进行试吊，由于梁体本身自重较大，计算结果显示，单独采用两个吊点简单起吊时，吊索的 142 中 国 水 运 第 23 卷 索力和梁段部分杆件轴力都很大，使吊装施工过程中的安全系数比较低，模拟计算结果如图 2 图 3 所示。因此对大吨位的梁段采用两吊点起吊是不合理的。最后选择四吊点对称吊装，吊点布置方式如图 4。MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE力轴7.40117e+025.06813e+022.73508e+020.00000e+00-1.93101e+02-4.26405e+02-6.59710e+02-8.93014e+02-1.12632e+03-1.35962e+03-1.59293e+03-1.82623e+03系数=3.6936E+00ST:自重STEP:10 S.F:1.000MAX:122MIN:165文件:吊装一位单:kN日期:05/12/2022表示-方向X:-0.612Y:-0.612Z:0.500 图 2 梁段轴力图 2026.0 2026.7 2026.7 2026.0 MIDAS/CivilPOST-PROCESSORTRUSS FORCE只受拉/只受压2.02666e+032.02660e+032.02653e+032.02647e+032.02641e+032.02635e+032.02629e+032.02623e+032.02617e+032.02611e+032.02605e+032.02599e+03系数=3.6936E+00ST:自重STEP:10 S.F:1.000MAX:177MIN:178文件:吊装一位单:kN日期:05/12/2022表示-方向X:-0.612Y:-0.612Z:0.500 图 3 吊索索力图 图 4 起吊吊点布置图 又按照实际起吊过程中的起吊高度和吊勾的限制条件：垂直起吊高度小于 10m，夹角小于 70。计算确定了下列工况如图 5 所示，可见满足要求。图 5 按起吊要求确定的计算模型 四、计算结果 1梁段应力。起吊过程中，使用基本组合计算梁段的组合应力，梁段纵向出现的最大拉应力为 145.3MPa，位置在主桁的上弦杆；最大压应力为 25.9MPa，位置在主桁的下弦杆。起吊过程中，梁的一侧的中间部位出现下挠，相应的横梁上弦杆件出现最大拉应力 665.6MPa，位置在横梁上弦杆两端，最大压应力为 296.7MPa，位置在 K 撑节点处，如图 6 所示。MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS合组(最大值)6.65686e+055.78193e+054.90700e+054.03206e+053.15713e+052.28220e+051.40727e+055.32336e+040.00000e+00-1.21753e+05-2.09246e+05-2.96739e+05系数=4.8135E+00ST:N1STEP:10 S.F:1.000MAX:81MIN:75文件:吊装二位单:kN/m2日期:05/12/2022表示-方向X:-0.612Y:-0.612Z:0.500 图 6 梁段应力图 2上部吊点反力 计算时四根吊索的长度相等，由于上下平联上的 K 撑在顺梁向是不对称的，因此吊点 1 和吊点 2 处吊绳的受力与吊点 3 和吊点 4 处吊绳的受力是不一样的，吊点 1 和吊点 2 处的索力比吊点 3 和吊点 4 的索力大，如图 7 所示，具体大小为：吊点 1 和吊点 2 的拉力为 868KN，其中竖向分力347KN，水平方向 789KN。吊点 3 和吊点 4 的拉力为 861KN，其中竖向分力345KN，水平方向 783KN。竖向力合计为：1,384KN。在反力的计算中，梁段竖向的合力为 1,384KN，计算结果比模型计算的 1,401.5KN 小，一方面，这是因为我们模拟梁段起吊时四根吊绳的长度和与梁段的夹角我们都当作一样的，但是因为梁段的构造的原因，虽然我们的吊点是对称布置的，实际的梁段在起吊过程中是一个偏心构件，因此其重心与吊绳的夹角是不一样的，所以会出现上述我们计算的梁段竖向合力与模型统计的有误差。另一方面起吊过程中梁段在重力的作用下发生了变形，并不是理想的无变形的假定，因此也出现了上述的误差。861.4 862.1 861.4 862.1 867.3 868.0 868.0 867.3 MIDAS/CivilPOST-PROCESSORTRUSS FORCE只受拉/只受压8.67981e+028.67384e+028.66786e+028.66188e+028.65590e+028.64992e+028.64394e+028.63796e+028.63198e+028.62600e+028.62002e+028.61404e+02系数=4.8135E+00ST:N1STEP:10 S.F:1.000MAX:156MIN:154文件:吊装二位单:kN日期:05/12/2022表示-方向X:-0.612Y:-0.612Z:0.500 图 7 吊索索力图（下转第 145 页）第 4 期 孙庆玲：不同超声功率下氧化石墨烯改性水泥净浆的力学性能研究 145 图 3 GO 不同超声功率下 GO 改性水泥净浆的抗压抗折强度 三、结论 文中讨论了不同超声功率下的 GO 在去离子水体系中的分散性及其对水泥净浆的工作性能和抗压抗折性能产生的影响，并得出以下结论：（1）超声功率的增大对 GO 在去离子水体系中的分散性有促进作用，400w 时分散性最好，600w 时分散性略有减弱。（2）超声功率为 400w 的 GO 分散液对水泥净浆的工作性能的抑制作用明显，流动度降低 9%，凝结时间增长 5%，而超声功率为 600w 时流动性略有降低 1%，且凝结时间减少 6%。（3）水泥净浆的抗折强度对 GO 的敏感度更高，超声功率为 600w 时，抗折强度在 28d 降低了 3%，水泥净浆的抗压强度对 GO 的分散性的敏感度不大，在 7d 龄期时，GO对水泥净浆的抗压强度的增强效果更加明显。参考文献 1 郁坤.大跨度建筑结构的形式与设计研究J.科技与企业.2014，09：231.2 Ou.J.Nano-core effect in nano-engineered cementitious compositesJ.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2017，（95）：100-109.3 邵桂林.氧化石墨烯的制备与表征D.上海：东华大学，2012.4 Zhou.Q.Use of graphene oxide nanosheets to regulate the microstructure of hardened cement paste to increase its 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