复杂钢结构吊装及施工仿真技术研究

夏彬，崔杰，曹旭，孙勇，李文欢 （中建二局安装工程有限公司，北京 100000）

0 引言

与钢筋混凝土结构不同，钢结构具有快速施工、自重轻、高强度和节段拼装的优点，在大跨度结构、工业厂房、大型车站和飞机场中得到广泛的运用[1]。随着结构力学理论的发展，钢结构的形态也日趋复杂，朝着大跨度和轻量化的方向发展，对结构施工安装精度的控制要求也日益严格。因此，对于钢结构的吊装而言，其过程中的受力特性呈现明显的空间特性，需要对结构构件的应力状态和变形作更为精细的分析[2]。在目前计算软件技术的发展下，设计人员能够应对更为复杂的钢结构三维应力状态计算，以满足结构安装过程中构件的应力应变要求以及设备和整体结构的问题定性要求[3]。

1 工程概况

某项目标准钢结构工程为标准化厂房，共计6 座厂房。厂房的钢结构构件安装具有一定的复杂性，这是因为厂房的跨度和长度较大，6 座厂房跨度均为32m，其中1#、2#、3#、4#厂房长132m，5#、6#厂房长120m，吊装高度为8.5m，属于危险性较大的分部分项工程。对钢结构吊装施工的仿真计算以32m 跨度厂房为计算模型，1#-6#厂房跨度为32m，柱距6m，边柱顶标高8.5m，建筑面积4224m2，厂房由GJ1和GJ2两种钢架组成。其中GJ1 钢架有两榀，GJ2 钢架有21 榀，GJ1 钢架钢柱之间设置有抗风柱，GJ2 钢架设置有中柱，跨距大，安装难度大，安装过程中的质量和安全控制尤为重要。钢架立面布置如图1 所示。

图1 中间跨钢架立面图

2 钢结构吊装就位及固定施工技术

2.1 钢架构件吊装就位技术措施

钢柱及钢架梁的安装均用25t 吊车进行吊装，安装的顺序是先从左至右依次完成两侧钢柱的吊装，再从左至右依次按顺序完成钢架梁的吊装，如图2、图3 所示。钢柱采用捆绑法进行吊装，吊点位置采用一点正吊的吊装方式，吊点设置在柱顶处，柱身竖直，吊点通过柱重心位置[4]。在钢结构构件的起吊前，应对起吊过程的技术人员进行详细的分工和技术交底，为确保任意步骤的安全，按照设定的吊装程序进行工作状态检查，并且起吊技术人员应按照统一的指挥信号进行施作。在确保构件绑扎和设备运转一切正常后，应进行试吊，具体操作方法是指挥人员按照预定的动作发出起吊命令，起吊技术人员发动吊车，缓慢地将构件抬升至离地面20cm 位置，随后指挥人员对起吊技术人员发起停止起吊命令，将构件悬停，然后构件、吊装设备和操作流程进行进一步的详细核查，以保证后续吊装具有万无一失的安全性。在检查完毕后，起吊技术人员再次启动吊车，将钢结构构件提升到设定的安装高度。在提升的过程中，为保证构件不会随着设备的晃动或者风荷载的作用而产生晃动，在钢构件的两端采用白棕绳进行平衡控制，通过松紧伸缩控制构件在空中的姿态，维持水平状态的上升趋势，并避免钢构件在抬升过程中与其他物件发生碰撞和摩擦[5]。

图2 厂房两侧钢框柱吊装示意图

图3 屋面钢架梁吊装示意图

构件到达安装位置时，指挥吊车司机缓慢地下降钢架，使钢架能平衡地落在指定安装位置上，并用全站仪配合经纬仪进行测量、调整校正，使其达到设计要求。最后经质量、安全检查，确认符合要求后才可以落钩。施工时用的全站仪、经纬仪、钢卷尺等计量器具必须经计量检验部门计量检定并保证在检定有效期内使用，以保证构件尺寸检验的统一、准确[6]。

2.2 构件吊装就位固定技术措施

钢柱为竖向承载构件，其连接固定的方式主要是通过螺栓锚固连接。具体的操作方式是在厂房基础上预先埋设地脚螺栓，然后按照水平起吊方式将钢柱抬起，并在柱脚离开地面大约30～40cm时，逐步调整钢柱顶部吊点，使钢柱缓慢竖立起来，并逐步下放钢柱，使得钢柱的安装螺栓孔与基础上预埋的地脚螺栓对齐吻合，四面兼顾，不断调整吊绳的力度使钢柱逐步就位，并采用人工辅助的方法使钢柱与厂房基础两者的定位线基本保持一致，另外，还需借助测量设备对钢柱的垂直度进行控制，保证竖向的偏差不会超过20cm，以避免钢柱的倾斜失稳，复核完成后再将螺栓拧紧临时固定，即可脱钩。

完成所有钢柱的就位安装后，需采取一定的连接措施将柱子间进行支持，使柱网形成具有一定稳定度的排架，以增强其局部稳定性。随后吊装第一榀钢梁，将其与钢柱进行临时连接，并采用缆风绳将其系紧以起到加固钢梁的目的，在起吊和安装第二榀钢梁后，为了将钢梁与钢梁之间、钢梁与钢柱之间及时形成封闭的受力构件，可采取一定的加固措施，将安装好的钢梁之间采用系杆进行连接，起到支撑和稳定的作用，在随后的其余钢梁吊装和安装时，也可以采取类似的加固方法，直至钢梁安装完成[7-8]。

为了保持钢柱的稳定性，采用缆风绳进行钢柱的牵引和平衡。如图4 所示，缆风绳采用钢丝绳，直径不小于9.3mm。地面锚固缆风绳应采用与钢丝绳拉力相适应的地锚，采用平行打入两根钢管，水平相距1.0m 左右，入土深度1.0～1.7m，上部用横管及扣件锁住，使两管同时受力共同工作。

图4 缆风绳固定示意图

3 钢结构施工仿真计算分析

3.1 三维钢结构仿真模型的建立

钢结构工程为标准化厂房，施工模拟以32m 跨度1#-6#厂房进行计算。为保证计算结果与实际施工的一致性，按照实际的安装工艺和施工顺序进行钢结构受力的最不利分析。钢结构安装总体思路为构件运输至现场，先进行两侧钢柱的吊装，使用一台25t 吊车；屋架钢梁运输至现场后，现场组装成人字钢架，拟采用“高空主钢架单榀整体吊装”的施工方案进行吊装。总体施工顺序为先吊装钢框柱，对钢柱进行固定，再进行钢架梁的整体吊装，先吊装GJ2钢架，再吊装GJ1 钢架及厂房两端抗风柱。采用结构有限元设计软件SAP 2000 建立三维钢结构仿真模型，如图5所示。

图5 三维钢结构仿真模型

3.2 钢结构吊装施工时应力和变形

图6 为钢结构吊装施工时的应力和变形数值模拟结果。从图6（a）中可以看出，在选取的350 个计算节点中，钢柱的应力比和钢架梁的应力比基本相近，应力比均小于1.0，最大钢柱应力比为0.693，最小钢柱应力比为0.001，平均钢柱应力比为0.344，经换算得到最大钢柱应力为162.8MPa，小于Q235 钢材的屈服强度，钢架梁的最大钢柱应力比为0.695，最小钢柱应力比为0.021，平均钢柱应力比为0.301，经换算得到最大应力值为163.3MPa，小于Q235 钢材的屈服强度。从图6（b）中可以看出，整体而言在选取的350 个计算节点中，钢柱的位移小于钢架梁的位移，钢柱的位移最大值为0.988mm，最小值为0.505mm，平均值为0.787mm，钢架梁的位移最大值为1.966mm，最小值为0.725mm，平均值为1.335mm，钢架梁的位移平均值约为钢柱的位移平均值的2.0倍。

图6 三维钢结构仿真计算结果

3.3 钢结构吊装施工验算

钢结构的吊装分为钢柱吊装和钢架梁吊装，采用的吊装设备为25t 单机吊车，各个构件单元的重量如图表1所示。

表1 钢结构吊装数据一览表

以钢架梁为吊装计算载荷可以按公式（1）所示进行计算：

式中，k1为动载荷系数（1.5），Q 为吊装载荷57kN。计算得出Qj=1.5×57kN=85.5kN。

根据现场情况，吊车工作回转半径为7.5m，屋面刚架梁顶标高8.0～9.8m，吊索及吊装间隙高度4m，吊装高度9.8+4=13.8m，吊臂伸长=（7.52）0.5+13.82=15.95m，查表臂长17.3m 时，回转半径7.5m 时，25t 单台吊车额定载荷为91kN。

由此得出25t 吊车额定载荷91kN＞吊装计算载荷85.5kN。所以单台25t吊车满足吊装要求。

钢丝绳的受拉力计算可以按公式（2）得到：

式中，G=29kN，α 为钢架梁两侧钢丝绳相邻之间夹角，α 不大于60°，计算时α 可取为60°。计算得出T=(29kN/cos30°)/4=8.4kN。

钢丝绳公称抗拉强度为1550MPa，钢丝绳选择6×37mm，直径13mm，其安全系数验算如下：

式中，P 为钢丝绳的破断拉力总和（kN），k为钢丝绳的安全系数。

由此可得，k=97.2kN/8.4kN=11.57≥8，所以选用钢丝绳为直径13mm、公称抗拉强度1550MPa 的6×37mm 钢丝绳（钢芯）满足吊装要求。

为保证汽车吊在吊装过程中的稳定，需进行抗倾覆验算，即需使稳定力矩大于倾覆力矩。以25t 汽车吊起吊钢架梁约5.7t 为验算对象，稳定性验算可以按公式（4）计算：

式中，KG 为自重加权系数，取1.00；KQ 为起升荷载加权系数，取1.15；KW为风动载加权系数，取1.00；MG、MQ、MW 为汽车吊自重、起升荷载、风动荷载对倾覆边的力矩，N·m。

KG×MG+KQ×MQ+KW×MW=1×25000×3.75-1.15×2900×(7-3.75)-1×0.2×5700×（10.4+0.3+1.2/2）=70029.25N·m＞0，远大于0，故稳定性满足要求。

稳定力矩M1=KG×MG=1×G×a=1×25000×3.75=93.75KN·m；倾覆力矩M2=KQ×MQ+KW×MW=1.15×5700×(7-3.75)+1×0.2×5700×（10.4+0.3+1.2/2）=34.39KN·m；

稳定系数=稳定力矩M1/倾覆力矩M2=93.75/34.39=2.72＞1.5，故汽车吊的稳定性满足抗倾覆要求。

4 结语

以某项目标准钢结构工程为标准化厂房作为研究对象，在分析建筑钢结构的吊装就位及固定措施基础上，基于结构有限元软件建立三维仿真模型，分析吊装过程中的应力和变形变化规律，验算吊车、吊绳的吊装能力以及吊车的稳定性，得到以下结论。

①钢柱及钢架梁的安装均用25t 吊车进行吊装，安装的顺序是先从左至右依次完成两侧钢柱的吊装，再从左至右依次按顺序完成钢架梁的吊装；钢柱的固定方法是在基础上面预埋地脚螺栓，采用缆风绳进行钢柱的牵引和保持稳定。

②三维仿真分析结果表明，吊装过程中钢柱的应力比和钢架梁的应力比基本相近，应力比均小于1.0，钢架梁的位移平均值约为钢柱的位移平均值的2.0倍。

③计算结果表明，25t吊车额定载荷91kN＞吊装计算载荷85.5kN，单台25t吊车满足吊装要求；选用钢丝绳为直径13mm、公称抗拉强度1550MPa 的6×37mm 钢丝绳（钢芯）满足吊装要求；稳定系数大于1.5，汽车吊的稳定性满足抗倾覆要求。