身份证号码：31010319881222XXXX 上海建工集团（澳门）有限公司 上海 200126
摘要：大跨度钢结构在屋盖吊装施工中应用较为广泛，如果施工中吊装力度设计不够合理，会对整体工程造成严重的影响，拖延工期继而产生大量的经济损失。本文主要阐述大跨度钢结构屋盖吊装施工力学分析，对大跨度钢结构屋盖吊装施工进行模拟研究，为屋盖吊装工程施工提供客观的资料参考，推动相关产业发展。
关键词：大跨度钢结构；屋盖吊装；施工工艺；力学分析
Mechanical Research On Hoisting Construction Technology Of Large Span Steel Roof
ZHANG ZhiQi Shanghai 200126
Abstract: Large span steel structure is widely used in roof hoisting construction. If the hoisting strength design is not reasonable, it will cause serious impact on the whole project, delay the construction period, and then produce a lot of economic losses. This paper mainly describes the large-span steel structure roof hoisting construction mechanical analysis, simulation study on hoisting construction of large span steel roof, for the roof hoisting engineering construction to provide objective information reference, promote the development of related industries.
Keywords: Large Span Steel Structure； Roof Hoisting； Construction Technology； Mechanical Analysis；
引言：
城市化的推进使建筑物表现出大型化发展趋势，钢结构具有强度高、自重轻、抵抗变形能力强等特点，在大跨度、超高、超重型的建筑物建造工程中得到广泛应用。科学技术发展使得工程施工技术逐渐成熟，更多建筑物施工使用就地拼装、整体吊升等方式，在保证工程质量的基础上缩短工期。但现阶段，部分单位在施工前未能对大跨度钢结构屋盖进行有效的力学分析，考虑的影响因素不够全面，使得很多建筑的现实施工同最初设计方案有着较大差异，难以保证质量，故而本文整理目前的钢结构力学分析以及目前的吊装模拟的方式，并通过澳门银河3C项目4F的整体提升的最重单榀桁架的计算实例来说明力学研究的重要性。
一、大跨度钢结构屋盖吊装施工力学分析
在屋顶吊装施工期间，大跨度钢结构的几何、荷载、物理特性会不断出现变化，技术人员需要从钢结构整体入手，计算一段时间内钢结构的变化状况，并进行相应调整。通常采用一次加载方法计算，但这种方法会在一定程度上忽视钢结构的受力情况及其对具体施工造成的影响。一段时间内频繁出现钢结构几何、荷载等参数变化的原因是先前施工的结构高度不够，整体的重量相对较轻，内部结构简单，施工跨度小，建筑物内部不同位置的受力状况同设计方案中的受力状况相符，环境及施工过程方法对其影响相对较小，对理论设计中数值的影响却几乎不存在。随着我国建筑行业发展迅速，更多高层建筑纷纷出现，大跨度结构在其中广泛应用，但很多建筑的现实施工同最初设计方案有着较大差异，相关人员在两者对比时需要全面考虑各种影响因素。
大跨度钢结构吊装施工时，相关人员需要对机具、锁具及设备等承载能力进行仔细核算，在不同阶段的工程建设中，分别对钢结构的稳定性、刚度及强度从力学角度分析。在施工期间，实际的吊装施工同设计方案产生的差别主要有以下几种：第一，荷载差别。实际施工中钢结构的重量、工作设备的重量、材料的重量及动力负荷、风力负荷影响都需要进行力学分析，以荷载规范为基础通过设计荷载计算设计状态；第二，结构不同。为了完成吊装任务，施工期间需要对钢结构中部分零件拆除替换，会同最初设计形态有一定的差别，很可能会对受力状况等方面造成影响；第三，支撑方式不同。钢结构吊装施工需要支撑点，这些支撑点的数量、约束形态、位置很可能会同先前设计有所不同；第四，同步性差异。设备在工作中出现误差或是分布不均衡都会使钢结构吊装点难以同步，使得吊装点同设计有一定的差别。
通过以上差别可以得知，为了保证施工期间钢结构吊装的质量、进度及安全，相关人员需要在不同的工程阶段，按照不同施工状况选择合适的计算方法和对应的控制参数。现阶段，拓扑变化、时变内力、有限元等方法在施工力学分析中频繁使用。其中有限元方法实施具体做法如下：第一，离散结构。根据精度计算方法及实验设备状况将结构拆分成有限单元体，在其内部设置节点，以关联参数的相连特性为前提，将关联单元整合形成新型集合体；第二，位移的差值函数。根据某种坐标函数，在分析连续体时将节点位移作为单元体的应变和唯一。在此阶段中，需要根据不同状况使用合适的有限元法测试位移函数；第三，研究各单元的力学特点。通过变分原理、几何方程及本构方程获得各单位的刚度矩阵；第四，单元平衡方程。设置结构平衡方程，将不同的单元矩阵整合成统一的刚度矩阵，并将各个单元节点列阵整合成总体荷载列阵；第五，通过平衡方程对位置节点的移动状况和单元应力进行求解计算。考虑到不同工程环境下施工状况不同，将变量叠加，且超静定内部构件排列并不唯一。
2、大跨度钢结构屋盖吊装施工模拟研究
在工程结构施工期间，建筑物结构建造从部分到整体，承载、设计部分最后的形态区别较大，细化来说，建筑内部受力状况会随着周围界限、支撑物、荷载承重等因素的变化而发生着变化[2]。建筑内部结构在整个工程结束之前，具备一定的脆弱性，并不具有强大的平衡属性，当工程进展到下一阶段，新阶段施工会对之前的建筑结构造成影响，新阶段施工结束后会同上一阶段保持新型的平衡。因此，对大跨度钢结构屋盖吊装施工进行实验模拟时，需要使用有效的方法将力学的变化过程成功展示。
2.1逐阶段建模
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2.2倒退分析
倒退分析这种方式主要是采用工程建造相反的方式对其内部结构进行统计，即将塑形成功的建筑展现出的应力和应变控制在最初状态，逆序运算，从而获得施工控制参数，将其投入至建筑结构顺序统计中[3]。倒退分析方式多用于预应力类型的钢结构中，通过逆序方式有效获取真实内力张拉数值，但从某种角度来看，这种方式具备一定的局限性，表现如下：第一，这种方式根本上是对建筑结构塑形阶段具备的应力和应变做出逆向推算，但无法将其产生的重力影响消除；还需要对内部结构为非线性的建筑物做出思考，进行频繁的逐次分析和倒退分析才能够获得相对理想的状态变化数值。第二，这种方法无法减少预应力索中松弛状况产生的影响，因为这些影响同建筑内部结构施工有一定关联。
2.3生死单元
这种方式从本质上讲是按照固定的施工顺序，对工程整体进行模块划分。首先，对内部材料组装完成的建筑物进行内力和变形状况分析，并将此时的状况设定为1，将后续阶段中安装的部分设置为“死单元”，这部分单元并不能对建筑主体结构产生直接性影响，不具备刚性和承载负荷。对工程进展至n时结构受力情况展开分析，并将这部分的单元激活，复原至原有的刚性和承载负荷，继续将其后续的施工状况设置为“死单元”。n工程阶段中内部组件被激活，将众多荷载影响中出现的内力位移同之前受各种荷载影响的内力位移相累加，能够获得n工程阶段结构内力，由此可以看出激活后的单元在（n-1）工程阶段主要结构，并建立变化的几何形态。将以上步骤重复，能够获得施工中结构内力同位移状况，具体步骤如图1。
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图1生死单元步骤模拟
由上述流程图中得知，使用生死单元的方式模拟施工非常便利，在设计模型时，考虑施工方式和步骤顺序，确定生死单元，并通过流程图进行模拟。这种方式能够成功展示结构中微小变化，在模拟之后将其运用在现实施工中，可以使施工步骤更为流畅。
3、大跨度钢结构屋盖吊装施工力学分析实例
3.1计算说明
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计算的结构为液压提升的澳门银河3C项目4F的最重单榀桁架，分布于多功能厅4F的轴线F26至F27区域内，此单榀桁架两端采用2个主液压设备整体缓慢提升，此单榀桁架重量约127吨。机电重量和两榀桁架间未建模次横梁重量约30吨,此载荷按每个节点一半恒载荷,一半活载荷考虑,恒载分项系数1.3,活载分项系数1.5，计算时按两端2个挂点进行考虑。
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3.3 计算简图、几何
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计算简图 (圆表示支座，数字为节点号
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节点编号图
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单元编号图
单元方位定义如下图所示：
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3.4 支座约束情况
桁架顶部梁吊挂节点30、节点31受竖向简支约束；如下图所示
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3.5 节点荷载
4F单榀桁架提升时载荷为单榀桁架自重，包括各节点处连接板和加筋板重量。
(1)桁架自重由软件自动添加，质量密度：7850kg/m3。
(2)由于计算模型节点没有进行细化处理，没有加筋板和连接板的质量，故节点加筋板和连接板质量按节点恒荷载和活载荷添加；机电重量和两榀桁架间未建模次横梁重量约30吨也按节点恒荷载和活载荷添加,每个节点各加载10KN恒载荷和10KN活载荷。
1)工况号:0
*输入荷载库中的荷载:
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节点荷载分布图:
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节点荷载序号1分布图
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2)工况号:1
*输入荷载库中的荷载:
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节点荷载分布图:
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节点荷载序号1分布图
3.6 荷载组合
恒载分项系数取 1.3，活荷载分项系数取 1.5
3.7 吊装带受力分析
在使用吊装带进行钢结构屋盖吊装施工时，采用的捆绑方式不同，结构受力不同。相关人员应根据结构特点，进行吊装带受力分析，明确最佳吊装方案，为吊装施工提供指导。在澳门银河3C项目4F的最重单榀桁架施工中，工作人员设计两种吊装带捆绑方式，分别进行受力分析，根据受力分析结果，设置吊装施工方案。具体方案要点如下：
方案一：扼圈式捆绑方式。将捆绑角度设计为120°-140°，此时吊装带的受力为F-1.46F（F是指主吊钢丝绳的受力）。相关规范标准指出，在吊索捆绑重物时，要求二者间的保护措施安全系数在6-8之间。通常来说，在吊装带出厂极限工作荷载工况下，安全系数为6。就此，在扼圈式捆绑方式中，吊装带的极限受力计算应考虑安全系数，其极限工作荷载最小为1.25F。
方案二：吊篮式捆绑方式。将捆绑角度设计为10°-90°，此时吊装带的受力为0.5F-0.71F，遵循相关规范标准中安全系数的规定，吊篮式捆绑方式的吊装带极限工作荷载最小为0.71F。
综合上述两种方案的工作荷载计算结果可知，不同捆绑方式下，工作荷载的要求存在较大差异。如果选择的捆绑方式不合理，会使吊装带缺乏安全性。就此，在澳门银河3C项目4F的最重单榀桁架吊装施工中，施工单位合理选择扼圈式捆绑方式，按照1.25F进行受力分析，以保障吊装安全性。同时，施工单位注重如下要点，规范吊装带的应用：
（1）在使用环形吊装时，按照双根进行吊装受力分析，确保极限工作荷载计算准确。
（2）在使用扁平吊装带时，确保其与吊钩、卸扣紧密连接。同时，在选择提升装置连接件时，要求其曲率半径为吊装带受力区域宽度的3/4.
（3）在捆绑吊装带时，要求吊装带在自然条件下形成至少120°的夹角，避免吊装过程中出现摩擦生热现象，遗留安全隐患。同时，不允许通过一根吊装带拉紧桁架。
3.8内力分析结果
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按轴力N图
轴力 N 最大的前 10 个单元的内力 (单位：m,kN,kN.m)
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轴力 N 最小的前 10 个单元的内力 (单位：m,kN,kN.m)
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按剪力 Q2 图
剪力 Q2 最大的前 10 个单元的内力 (单位：m,kN,kN.m)
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剪力 Q2 最小的前 10 个单元的内力 (单位：m,kN,kN.m)
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按剪力 Q3 图
剪力 Q3 最大的前 10 个单元的内力 (单位：m,kN,kN.m)
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剪力 Q3 最小的前 10 个单元的内力 (单位：m,kN,kN.m)
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弯矩 M2 图
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弯矩 M3 图
3.9 位移
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最大正位移组合 1: Uz(mm)
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最大正位移组合 1: Uxyz(mm)
“Ux”最大的前 10 个节点位移表（单位：mm）
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“Uy”最大的前 10 个节点位移表（单位：mm）
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“Uz”最大的前 10 个节点位移表（单位：mm）
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“Uxyz”最大的前 10 个节点位移表（单位：mm）
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“Ux”最小的前 10 个节点位移表（单位：mm）
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“Uy”最小的前 10 个节点位移表（单位：mm）
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“Uz”最小的前 10 个节点位移表（单位：mm）
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3.10 设计验算
本工程所用材料：
S355：弹性模量：2.06*105N/mm2；泊松比：0.30；线膨胀系数：1.20*10-5；质量密度：7850kg/m3。
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验算强度用设计值 f = 270.00Mpa；
验算稳定用设计值f2=270.00MPa；验算稳定用设计值f3 = 270.00MPa 抗剪强度设计值fv2 = 165.00Mpa；抗剪强度设计值 fv3=165.00MPa 截面的基本参数如下图所示
3.11 设计验算结果图及统计表
根据计算分析模型，进行规范检验，检验结果表明，结构能够满足承载力计算要求，应力比最大值为0.72。下图为模型总体应力比分布图：
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杆件应力比分布图
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按“强度应力比”显示构件颜色
“强度应力比”最大的前 10 个单元的验算结果（所在组合号／情况号）
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按“强度应力比”统计结果表
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按“绕2轴应力比”显示构件颜色
“绕2轴整体稳定应力比”最大的前 10 个单元的验算结果（所在组合号／情况号）
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按“绕2轴整体稳定应力比”统计结果表
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按“绕3轴应力比”显示构件颜色
“绕3轴整体稳定应力比”最大的前 10 个单元的验算结果（所在组合号／情况号）
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按“绕3轴整体稳定应力比”统计结果表
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按“绕2轴长细比”显示构件颜色
“绕2轴长细比”最大的前 10 个单元的验算结果
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按“绕2轴长细比”统计结果表
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按“绕3轴长细比”显示构件颜色
“绕3轴长细比”最大的前 10 个单元的验算结果
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按“绕3轴长细比”统计结果表
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结论
总而言之，常见的钢结构屋盖吊装施工技术有很多种，施工方需要根据不同的工程要求选择适合的方式施工。相关部门需要对大跨度钢结构施工加强重视，在其力学研究部分增加资金投入，提升施工质量，有效缩短工期，推动我国建筑工程发展进步。
参考文献：
[1]郭超,刘秀丽,王燕.大跨度钢结构施工跟踪模拟计算分析[J].青岛理工大学学报,2019,40(06):23-29+96.
[2]杨鹏.延庆综合交通服务中心大跨度钢桁架分段吊装施工技术[J].施工技术,2020,49(10):50-52.
[3]尹益飞.装配式大跨度钢结构安装工艺研究[J].建筑技术开发,2019,46(24):14-15.