浅谈大截面薄板大跨度钢梁吊装变形控制

汤文科,薛瑞,陈杰,唐鹏,顾培林

摘要：本文结合工程实例，对超大跨度大截面薄板钢梁吊装变形控制进行研究。运用虚拟拼装技术，检查校正拼装精度。获得钢梁拼装实体云点模型，运用SolidWorks、Focus scene和Midas Gen(Ver.895)等软件，与钢梁标准模型比对分析，导出构件虚拟拼装报告，根据报告中误差点及误差值，精确指导网格拼装误差调整。对于各施工过程进行结构验算和分析，用以指导施工和控制施工。为了确保结构在施工阶段全面受控，建立贯穿施工全过程的施工控制系统，以信息化施工为主要控制手段，并根据结构验算和分析结果，对结构温度、结构应力和变形的特征点进行施工监测。最终确定最优吊装方式，使变形量控制在规范范围内。

关键词：大跨度；变形控制；模拟计算

Discussion on deformation control of steel beam hoisting with large section thin plate and long span

Tangwenke  Xverui  Chenjie  Tangpeng  gupeilin

(China Construction Eighth Engineering pision Co.，Ltd.，Shanghai，200000，China)

Abstract：In this paper, the deformation control of large span and large section thin sheet steel beam hoisting is studied. Use virtual assembly technology to check and correct assembly accuracy. The solid cloud point model of steel girder assembly was obtained, and the software SolidWorks, Focus scene and Midas Gen (Ver.895) was used to compare and analyze the model with the standard model of steel girder. The virtual assembly report of components was derived, and the mesh assembly error adjustment was accurately guided according to the error points and values in the report. Structural checking calculation and analysis are carried out for each construction process to guide construction and control construction. In order to ensure the overall control of the structure in the construction stage, the construction control system is established throughout the whole construction process, with the information construction as the main control means, and according to the results of structural checking and analysis, the construction of the temperature, structural stress and deformation of the characteristic points. Finally determine the optimal hoisting mode, so that the deformation is controlled within the standard range.

Keywords：Large span； Deformation control； Analog calculation

引　　言

目前，随着城市化的建设，钢结构厂房以其自重轻、抗震性能好、施工周期短、绿色无污染等方面的优点在建筑领域得到了广泛的应用。

近年来，我国钢结构在使用的过程中，一个比较突出的问题就是钢结构的稳定性。钢结构不稳定就会在使用钢结构的过程中存在很大的安全隐患，造成一些不必要的人员伤亡和经济损失。为此，在钢结构建筑未来发展道路上，必须加强钢结构的稳定性设计。同时，必须加强对高效性能钢材的研究，这种高效性能钢材主要指的是钢材强度比较高，塑性和韧性也比较好，耐火性能优良。只有提高钢结构的稳定性

［1］，才能更好地提高建筑的整体性能。

在施工技术日益成熟的今天，钢结构厂房朝着更宽更轻的方向迈进，通过增大截面，减小主材板厚，在保证安全性、稳定性就适用性的情况下，又能减小自身重量。但对钢结构的加工及安装带来了极大的挑战，构件的加工制作及安装过程中的变形控制极为困难。厂房门式钢架结构跨度大，构件为H型钢柱、钢梁，常用增加节点板，筋板等方式来达到控制变形的效果。

因此本论文通过工程实例，通过从现场拼接，到整体吊装，加固措施等方面来对大跨度门式钢架的安全性、稳定性就适用性进行研究。

1结构概述

某钢结构厂房共有三跨结构，屋面梁跨度分别为36.2m、45.2m、36.2m，标高19.317~23.248m，36.2m跨度共120根，45.2m共计60根，单跨构件最大重量7.6t，整体为门式钢架结构，主要材质为Q235B和Q355B，以H型截面为主要杆件，采用焊接、栓接的节点连接形式。钢梁为变截面形式，36.2m钢梁由3根钢梁组合而成，45.2m钢梁由4根钢梁组合而成，进行整体吊装。涉及到大跨度，高空施工，对施工安装工艺变形控制及安全性要求性较高。

图1门式钢架结构形式

2  施工工艺

2.1  施工方式

(1)施工思路

深化设计阶段对屋面梁进行自然分段划分，钢梁分段出厂前进行工厂预拼装；采用“地面拼装+整体吊装”的方法，采用平衡梁方式进行吊装，按照先两侧后中间的顺序，由西东两端向中间进行施工，最后连接钢梁间次杆件，考虑屋面梁拼装起拱值，焊接完成后，监测下挠。

(2)机械选型

施工时，采用履带吊及汽车吊进行吊装施工，按施工顺序，履带吊主要完成钢梁吊装，汽车吊进行构件转运及零星构件安装。

2.2  技术原理

(1)构件分段

考虑结构跨度大，构件运输受限，需分段加工运输，屋面屋面梁根据设计节点，以自然分段为基础，拼接后进行吊装。36.2m每跨分三节，45.2m每跨分四节，分段点间使用高强度螺栓连接。

图236.2m屋面梁分段

图3  45.2m屋面梁分段

(2)胎架拼装

屋面梁选择地面拼装后整体吊装，根据屋面梁的分段情况进行胎架的设置，为方便拼装过程中高强度螺栓的安装，采用HW500*300*11*18H型钢作为拼装胎架，拼装胎架置于钢梁跨中位置，地面为天然地基，地面铺设碎石并进行压实，拼装胎架放置于2m*5m钢板上，通过焊接卡板固定，胎架上放置垫板调节标高，布设卡板进行定位。

图4  胎架组成

图5  36.2m屋面梁拼装胎架

图6  45.2m屋面梁拼装胎架

(3)施工预起拱

为抵消自重及载荷作用下的全部或部分挠度，通常规定在大跨度钢梁智造时预先进行起拱。根据设计要求，跨度大于21m的梁应设置预拱度，预拱度为跨度的1/500，预拱度按抛物线性设置，为加工厂拱形加工起拱。本工程36.2m屋面梁预拱度72.4mm，45.2m屋面梁预拱度90.4mm。根据大跨度钢梁L/2处的拱值，绘制出相应的抛物线，做出如下所示的各段起拱值：

图7  36.2m屋面梁起拱示意

图8  45.2m屋面梁起拱示意

(4)工况分析

1) 36.2m屋面屋面梁吊装工况分析

钢梁长度为36.2m，重量为5.5t，安装高度22.46m，扁担梁长度6m，重量为0.8t。选择100t履带吊,臂长57m主臂工况，吊装幅度为24m，起重能力为9.1t，根据计算选用12m长28mm钢丝绳，荷载系数取1.2，则负载率为1.2×6.3t/9.1t=83%，满足使用要求。

图9  36.2m屋面梁吊装工况分析(立面、平面)

2) 45.2m屋面屋面梁吊装工况分析

钢梁长度为45.2m，重量为7.6t，安装高度22.46m，平衡梁长度9m，重量为1.1t。选择100t履带吊，57m主臂工况，吊装幅度为20m，起重能力为11.7t，根据计算选用12m长32mm钢丝绳，荷载系数取1.2，则负载率为1.2×8.5t/11.7t=87%，满足使用要求。

图10  45.2m屋面梁吊装工况分析(立面、平面)

3  受力分析

(1)吊装过程受力计算

1)建立模型

建立屋面梁及柱的计算模型，钢构件的尺寸与材质皆按照施工图纸设置。吊绳暂按提供参数的纤维芯钢丝绳考虑，公称抗拉强度不低于1770MPa。

图11  屋面梁吊装模型

2)控制指标

屋面梁采用四点起吊。

吊装工况下只考虑结构自重，动力系数取1.3倍。

3)受力计算

a 变形

相对吊点的变形量D1 = 22.24-5.75 =16.49mm ，

端部相对吊点的悬挑跨度L1 ≈9.4m

d1/2L1≈1/1140≤1/400，满足要求！

图12  屋面梁变形云图

b 应力

屋面梁吊装过程中，钢构件(包括临时撑杆)最大应力：

σ1= 28.68MPa ＜ 295 MPa，满足要求！

图13  屋面梁应力云图

c 钢丝绳拉力

吊装过程中，钢丝绳上拉力分布比较均匀，屋面梁拉力最大值为：F1= 54.2kN，钢柱拉力最大值为：F2= 39kN。

图14  屋面梁钢丝绳拉力分布云图

d 计算结果

吊装位置结构变形未超过屈服强度，满足吊装要求!

(2)起吊翻身受力计算

1)建立模型

建立钢架梁及柱的计算模型，如下图所示。钢构件的尺寸与材质皆按照施工图纸设置。吊绳暂按φ50的纤维芯钢丝绳考虑，公称抗拉强度不低于1770MPa。

图15  钢架梁吊装模型(0°)

图16  钢架梁吊装模型(45°)

计算结果

a 应力

钢架梁吊装过程中，钢构件(包括临时撑杆)最大应力：

σ1= 75.85MPa ＜ 295 MPa，满足要求！

图17  钢架梁0°应力云图

图18  钢架梁45°应力云图

b 钢丝绳拉力

图19  钢架梁0°钢丝绳拉力分布云图

图20  45°钢丝绳拉力分布云图

经计算，钢架梁在翻身过程中计算结果满足要求。

4结论

以钢结构厂房项目为依托，通过对大跨度吊装方式的选择研究和分析，可以得出以下结论：

(1)大跨度单根构件吊装时，可采取平衡梁辅助配合的方式进行吊装，减小吊装过程中的受力变形。

(2)对于超过一定规模的危险性较大的钢结构工程施工时，必须对施工过程进行模拟分析计算，分析时需从吊装前，吊装时，卸载后等多方面进行考虑，从而选取最优的吊装方式，减小结构变形。

(3)随着钢结构施工技术的日益成熟，更大，更轻，更稳定的结构将层出不穷，吊装方式及措施的选择将变得尤为重要。

参考文献

[1]  周建宇.浅谈门式钢架轻型钢结构工业厂房的结构设计与研究［J］.北京:中国建筑金属结构.2021(06)

[2]  刘西仙.大跨度单层门式钢架钢结构厂房施工关键技术［J］.北京：城市住宅. 2020,27(01)

[3]  赵健平.变截面门式钢架结构分析与优化设计［D］.山东大学2013.