大跨度吊篮桁架结构有限元分析

Finite Element Analysis of Long-span Basket Truss Structure

Cao Jingchao

（Guangdong Province Erguang Expressway Co.，Ltd.，Huaiji 510006，China）

摘要：吊篮在施工过程中运用广泛，但对于吊篮的理论研究，特别是对于特殊情况下大跨度吊篮理论研究较为缺乏。本文对某桥梁大跨施工吊篮桁架结构采用Midas/Civil进行有限元分析和设计，通过理论计算，结果得出该吊篮结构强度与刚度符合要求。为了检验有限元分析的理论计算，采取理论计算方法与之对比，结论显示，两者基本相符合。结论可为吊篮施工与设计计算提供参考。

Abstract: Basket was widely used in the construction process. However, the theoretical research on basket is relatively deficiency, especially long-span basket theory under the special condition. This paper used Midas/Civil to conduct Finite Element Analysis and Design on long-span basket truss structure. Through calculating, the results indicated that the basket structure strength and stiffness meets the requirement. In order to check the finite element analysis of theoretical calculation, we adopted the theoretical calculation method to compare with it, and the result shows that the two of them is basically in accordance with each other. The conclusion could provide the reference for basket construction and design calculation.

关键词：吊篮 桁架结构 有限元分析

Key words: basket；truss structure；Finite Element Analysis

中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）21-0088-02

0引言

吊篮是建筑工程高空作业的一种建筑结构，作为幕墙安装，外墙清晰，表面粉刷等之用。目前，吊篮在我国得到了广泛的应用，使我国不仅成为世界上最大的生产大国，而且成为世界最大的吊篮使用国家之一。虽然吊篮在我国已有近25年的发展历史，但其基本结构、作业范围和外观形状并没有显著变化，而就我国吊篮的品种和规格而言，与发达国家相比还有较大的差距。发达国家吊篮产品的技术发展主要表现在：①驱动和摩擦传动方式的改进以达到节能或提高功效为目的，使产品向多样化发展；②篮体结构的异型化和模块化组合以及提升能力的不断增加，扩大了吊篮的应用范围；③悬吊支承结构的改进，使吊篮的支承体系多样化和轻便化，适用不同建筑结构的要求。这三个方面的改变，是吊篮产品中技术发展的具体体现，从而使吊篮的应用范围更加广阔。本文以一工程为背景，针对篮体结构的异型化和模块化组合以及提升能力的不断增加，扩大了吊篮的应用范围这一方面的技术欠缺有一定的补充，通过有限元计算和理论验证，证明了大跨度吊篮桁架结构设计的合理性。

1工程概况

吊篮通常多采用钢桁架结构，下面为某钢筋混凝土箱型桥梁的施工吊篮，该吊篮桁架的跨度为48.0m，桁架高1.7m，其结构形式如立面图1所示。

2Midas/Civil进行建模与有限元分析

2.1模型建立对吊篮钢桁架模型立采用立体建模，共374个节点，872个单元，材料选用Q235钢，截面分别有弦杆截面、斜杆截面和竖杆截面，约束为一个在16号节点处的铰接和三个竖直向上的链接，分别为14号、360号、362号节点，如图2吊篮模型图所示。

2.2 有限元分析结果与分析边界条件分为两组，一个是支撑边界组，另一个是铰接组，支撑边界组是指约束整体吊篮桁架，铰接组是吊篮节段单元之间的连接。经过计算每个吊篮阶段单元的自重为7.91kN，平均到下弦杆单元也就是1.32kN/m；考虑到附加荷载，因此额外增加0.2倍自重荷载，由此自重为1.584kN/m。采用均布荷载施加，每根下弦杆单元承受均布荷载为0.792kN/m。移动荷载主要为人群荷载，采用8个80kg的小车在建立在下弦杆梁单元上的车道之上来回跑动。

荷载组合主要考虑1.2自重+1.4移动荷载的最不利组合，查看在该组合下的支反力，应力，弯矩和挠度。

通过Midas/Civil软件对吊篮桁架的模拟运算，得出最大支反力为32.24kN，最大剪力为16.96kN，最大弯矩为3.21kN・m，组合应力最大值为98.6MPa,最大挠度为121.5mm,在下弦杆上最大挠度值为113.0mm。

3理论计算

桁架的挠度计算：桁架钢结构的挠度一般由两部分组成，一是由单销间隙产生的非弹性挠度，另一部分是有荷载引起的弹性挠度，两者叠加为桥梁的挠度。

①非弹性挠度的计算。先定义α，α为相邻两跨拼装单位之间由销孔间隙产生的响度转角（弧度制），?琢＝■=■=1.17×10-5，

式中：?驻l――单销与销孔之间的间隙，?驻l=1mm；h――桁架拼装单位的高度，桁架高h=1700mm。

由此，可以计算出吊篮的非弹性挠度值:

fo=d■sin■?琢=6000×8×sin?琢=56.16mm，

式中fo:――简支梁跨的非弹性挠度（mm）；d――桁架拼装单位的长度（mm）；n――每一跨的桁架拼装单位数；

②采用B.C.卡秋林公式计算由荷载引起的桁架弹性挠度如下：

f=■1+（tan?准1+cot?准1）×■×（1.61-0.335■）Kdf

式中：f――桁架由活载引起的弹性挠度（m）；l――桁架的计算跨度（m）；ho――桁架在支座处的计算高度（m）；h――桁架的计算高度（m）；?准1――跨中斜杆与垂直线之间的夹角（°）；E――桁架所用材料的弹性模量（kgf/cm2）；Kdf――活载的横向分配系数，Kdf=0.1767；I――桁架截面的惯性矩，I=7.36×105cm4；Keq――活静载的等挠度等代荷载（kgf/cm）。

该吊篮跨度48m，桁架在支座的计算高度h=1.7m，跨中斜杆与垂直线的夹角正余弦值为tan?准1=■=0.588，cot?准1=1.7钢材的弹性模量为E=2.1×106Kgf/cm2，活静载等挠度的等代荷载Keq=0.8+0.66=9.37Kgf/cm，则可求出桁架由活载引起的弹性挠度f=6.21cm。因此理论计算的吊篮桁架挠度值为56.16+62.1=118.3mn。

根据钢结构规范，“楼（屋）盖梁、工作平台梁和平台板的主梁或桁架（包括设有悬挂起重设备的梁和桁架）的允许挠度值L/400=120mm，可知该挠度计算满足要求。

4分析与结论

通过对吊篮杆件的受力和挠度的理论计算，得出吊篮钢桁架结构中构件的承载能力，以及桁架结构在荷载作用下的竖向变形值。再通过Midas/Civil软件的建模和计算，得出，吊篮桁架的模型实体，并在动静荷载作用下得出的剪力、弯矩、应力和挠度。综上所述可以出以下结论：①下弦杆在第一节段与第二阶段相接处剪力与弯矩最大，而该处最大剪力、最大弯矩都相当小，显然满足要求。②计算得出组合应力最大值?滓＝98.6Mpa＜[?滓]=235Mpa，满足要求。③最大挠度值位于跨中两边加强圆钢杆件上，为121.5mm，跨中受力构件，即下弦杆最大挠度值为118.3mm＜L/400＝120mm，满足要求。

通过以上计算从理论上证实了6m×8=48m大跨度的桁架吊篮安全可行。

参考文献：

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