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第八章 钢结构吊装工况分析8.1 结构卸载工况分析结构在施工过程中采用了支撑架起临时支撑作用，在整个结构安装完毕前，结构的受力主要是通过支撑架及后柱来传到地面上；而当整个结构施工完毕后需要卸载支撑架，结构的受力转换到设计的受力状态，此时结构转换到前、后柱共同承受结构荷载。在卸载的过程中，桁架结构随支座的改变而发生受力状态的改变，从而使构件的内力发生改变，尤其是支撑架附近的杆件内力及端部构件的变形位移都会发生较大的变化，因此我们对结构的卸载过程进行分析，以保证整个结构的变形。支撑架的拆除方案有两种，即中间向两边拆除方案与两边向中间拆除的方案。通过两种方案对比分析可知，采用中间向两边拆除方案比较合理，我们对此方案的卸载过程进行了分析。8.1.1 卸载过程的描述卸 载 过 程 描 述卸 载 前 的 结 构 初 始 状 态1、 每榀主桁架吊装之后，支承在支撑架上及后柱上，并将端部连接到后柱上。支撑架支撑点设置在如下图1所示位置处，该点布置在拉索、竖向腹杆、斜腹杆与桁架下弦交点处。图2为支撑点的平面布置图。2、 卸载前径向主次桁架结构以及环向次桁架都已经安装完毕，同时锥型柱脚与其下面的预埋支座均已连接安装。 图1 图2卸载顺序结构卸载的顺序是从中间到两边的顺序进行。第一次拆除中间一榀；其后每次沿中间向两边对称各拆除一榀桁架的支撑；最后分两次拆除右末端四榀空间主桁架，共进行12次卸载。结构受力的描述（1）、卸载前支撑架承受主要竖向荷载的作用，支撑架附近的下弦杆及腹杆承受较大的压力，而前锥型柱未承受荷载作用，此时前端部的节点竖向位移较小。此时整个结构的控制重点是局部杆件的内力、结构的稳定性。（2）、卸载过程中，随着支撑架的逐步拆除，桁架的受力发生改变，原后支撑架附近的弦杆变为了受拉杆件，部分腹杆由原来的受压变为了受拉；而随着前锥型柱的受力，桁架与柱的节点附近的杆件的受力也发生了较大的变化，同时杆件的前端部节点位移较大，应作为控制重点。（3）、卸载结束后，结构实现从施工安装到设计阶段的转化；结构已没有了设计以外的多余约束，此时将验算结构的振型、应力与变形是否符合设计要求。8.1.2 卸载过程的模型对比卸载过程示意图卸载的第一阶段卸载的第二阶段卸载的第三阶段卸载的第四阶段卸载过程示意图卸载的第五阶段卸载的第六阶段卸载的第七阶段卸载的第八阶段卸载过程示意图卸载的第九阶段卸载的第十阶段卸载的第十一阶段卸载的第十二阶段8.1.3 卸载过程的结构计算分析8.1.3.1卸载的计算模型卸载的计算模型卸载的计算模型图支撑架支座计算模拟的说明1、卸载前，桁架主结构都已经安装完毕，即后柱支座与前柱支座处均以安装就位。整个卸载过程中，后柱脚均设为铰支座受力，而前柱支座在拆除该榀主桁架支撑后，才将其设为铰支座承受结构荷载。因此前柱支座在整个卸载过程中是沿中间向两边逐个依次受力。2、支撑架支座模拟为竖向的弹性支座。3、支撑架支座的弹性系数的取值用近似线形的方法模拟求取，方法简介如下：分别在支撑架的计算模型顶部支点处加两个垂直向下的力（如N1、N2），用计算软件计算出对应的顶部支点值（如A1、A2）。那么此支撑架对应支座的弹性系数为K=|N2-N1|/ |A2-A1|。4、在施工卸载过程中，我们只考虑结构恒载及自重的作用，而为了使结构偏于安全，因此采用1.2x自重的分析工况对结构卸载各步骤进行了分析。8.1.3.2卸载各阶段的结构分析卸载前的初始阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在左端主桁架悬挑端部处，约为-14.18mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为-19.26 mm；X方向位移最大值约为-4.85mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。廊坊市体育场钢结构工程施工组织设计卸载第一阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、该榀主桁架两边的前V型柱柱脚支座开始受力。2、Z方向位移最大值出现在中间该榀主桁架悬挑端部处，约为-15.21mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为-14.31 mm；X方向位移最大值约为-7.42mm。3、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。4、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。卸载第二阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-23.14mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为-11.46 mm；X方向位移最大值约为-6.11mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。卸载第三阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-27.86mm,X方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为-13.16mm；X方向位移最大值约为-8.82mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。卸载第四阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-28.68mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为11.49 mm；X方向位移最大值约为-8.76mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。4、此阶段杆件Z向变形出现最大值为-28.68mm，相对于杆件长度/l1/15341/500，满足规范要求。卸载第五阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-28.32mm；Y方向位移最大值位于主桁架前锥型柱柱脚处，约为11.05 mm；X方向位移最大值约为-6.58mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。卸载第六阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-27.75 mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为9.32mm；X方向位移最大值约为-6.64mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。卸载第七阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-27.17 mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为10.70 mm；X方向位移最大值约为5.70mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。卸载第八阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-26.75 mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为10.52 mm；X方向位移最大值约为4.63mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。卸载第九阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-26.46 mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为10.40 mm；X方向位移最大值约为3.72mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。卸载第十阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-26.45 mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为10.40 mm；X方向位移最大值约为3.81mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有部分位于支撑架附近的腹件应力比超过0.3，而这部分杆件在整体卸载后应力比趋于更小。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。4、通过上序卸载步骤，整个结构变形趋向稳定，杆件Z向变形最大值为28.11mm，相对于杆件长度/l1/15651/500，满足规范要求。卸载第十一阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-26.32 mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为10.37 mm；X方向位移最大值约为-3.04mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，多数杆件应力比在0.3内，只有位于支撑架附近的几根腹件应力比超过0.3，而这部分杆件应力比也在0.4以内。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。卸载第十二阶段结构位移图构件验算比条状表构件验算比图小结1、Z方向位移最大值出现在中间榀主桁架悬挑端部处，约为-26.33 mm；Y方向位移最大值位于主桁架前V型柱柱脚处，约为-11.31 mm；X方向位移最大值约为-4.24mm。2、所有杆件应力均小于材料的允许应力值，绝大多数杆件应力比在0.3内，只有位于右末端支座处该段弦杆的应力比较大，趋于0.6。3、左图红色线条为拉索，在整体结构中起水平支撑作用，其应力较小。4、完成整个卸载步骤，结构变形稳定，杆件Z向变形最大值为-26.33mm，相对于杆件长度/l1/16711/500，满足规范要求。8.1.4 卸载前与卸载结束的对比分析卸载前后过程对比分析结构卸载前的轴力图结构卸载后的轴力图结构卸载前的变形图结构卸载后的变形图卸载整个过程比较分析卸载前的结构变形图卸载后的结构变形图卸载前后对比分析结论从上图可以看出：（1）、结构内力：在卸载的前，前柱只承受结构自重带来的拉力，而支撑架附近的下弦杆承受较大的压力，而后柱承受的压力较大；卸载后结构的自重集中传到了前柱，后柱则大多承受拉力作用，而且前锥型柱间的几段下弦杆由受压变为了受拉，因此整个结构的内力在卸载的过程中发生了较大的改变。（2）、结构变形：在卸载的前，桁架的前部悬挑段Z负方向位移的较小，随卸载的逐步进行而逐渐增大；但在卸载结束后，桁架的前部悬挑段最大位移值为-26.33mm。由于卸载结束后结构的前部悬挑长度加大，因此竖向位移也因此加大，但/l1/16711/500，满足规范要求。同时 Y方向的位移最大值只有约-10.50mm,而X方向位移的最大值也只有约6.90mm。（3）、构件应力：在卸载前验算比较大的构件为支撑架处的腹杆，杆件验算比最大值为0.73。其主要原因在于未卸载的主桁架是由支撑架和后柱支座共同作用，而前柱支座未受力内力作用。此时支撑架上的主桁架腹杆承受较大的轴向压力。通过对对杆件应力比的对比可知，材料的应力比均在0.8以内，因此材料变形均在弹性范围内发生，符合杆件的强度、稳定要求，满足钢结构规范（GB50017）的要求的，确保结构在卸载过程中不产生不可恢复的变形扭曲。8.1.5卸载过程的分析卸载整个过程比较分析由于卸载过程中中间榀主桁架的前顶端的节点位移较大，前几个卸载阶段都为最大竖向位移，因此我们对此榀主桁架的三个典型节点位移值进行统计列表。通过上序卸载前后杆件内力的比较可知，卸载前支撑架处的腹杆应力比较大，杆件内力由压力变为了拉力，因此我们对此部分的构件进行了卸载前后的应力比对比。系列1：上弦端部节点740； 系列2：支撑架节点24； 系列3：锥型柱间下弦杆中点1096。该处腹杆最大应力比出现在卸载第二步，最大值为0.76。卸载过程分析总结从上图表可以看出，在卸载的前半阶段，Z负方向位移的最大值随卸载的逐步进行而逐渐增大；但在卸载的后半阶段，此值趋于稳定，不再有较大的增加；Z方向位移的较大值发生在已经卸载的中间主桁架悬挑段。Y正方向位移的较大值发生在已经卸载的中间主桁架悬挑段，Y负方向位移的较大值发生在未卸载的主桁架落地段。X方向位移的较大值出现在未卸载与已卸载桁架分界区域附近。Z方向的位移最大值约为-28.68mm ，Y方向的位移最大值只有约-11.31mm,而X方向位移的最大值只有约6.90mm。在整个卸载过程中验算比较大的构件出现在卸载的前半阶段，特别是在卸载的第2阶段，杆件验算比值接近0.78。验算比较大的构件主要为支撑架上主桁架的腹杆构件，这主要原因在于未卸载的主桁架是由支撑架和后柱支座共同作用，而前柱支座未受力内力作用。此时支撑架上的主桁架腹杆承受较大的轴向压力，但它们的材料的变形均在弹性范围内发生，满足杆件的强度、稳定满足钢结构规范（GB50017）的要求的，确保结构在卸载过程中不产生不可恢复的变形扭曲。通过卸载的各阶段分析可知，第四阶段的腹杆构件应力比较大，同时根据统计可知第四阶段的支撑架最大受力分别为170.15KN与282.86KN。8.1.6支撑架的计算分析卸载整个过程比较分析支撑架节点反力图支撑架的设计截面固定支撑架设置一组标准支撑架，截面宽度为2m2m，垂直步距为2m。立杆：1808无缝钢管；腹杆：895无缝钢管；腹杆：159x8无缝钢管（顶部四边直腹杆）；连接法兰板:厚16；其它节点板厚12；热轧型钢截面：H300x150x6.5x9（支撑架顶部铺设）。所有构件材质均采用Q235。支 撑 架 一构件轴力图构件弯矩图构件验算比图因为卸载过程中支撑架的受力大于安装过程中的情况，所以以卸载过程中的最大受力工况来进行支撑架的计算分析，支撑架最大竖向轴力为357.38KN。左图为前支撑架受力分析，轴力为357.38KN，通过结构的轴力、弯矩及应力中可以看出，构件最大验算比只有约0.53，柱顶结构最大位移只有约-1.26mm，而钢梁最大位移也仅为-4.43mm。因此支撑架的竖向刚度和强度均满足使用要求。由于上序支撑架在水平风荷载作用下的力较小，对结构产生的内力与变形也较小，因此其结构的稳定不受影响。8.2 吊装分析8.2.1主桁架吊装的计算分析最大的两榀桁架悬挑段的吊装分析构件轴力图构件弯矩图构件应力比图吊装计算分析的结论（1）主桁架的吊装取1.2x自重的分析工况，因此在吊装时构件的应力比较小，因此主要考虑桁架吊点处的腹杆内力及桁架端部的变形位移。（2）所有杆件应力均远小于材料的允许应力