大型汽车吊作业钢平台的数字化分析及设计

１６６ ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＶｏｌ．４４，Ｎｏ．１０，２０１４工业建筑 ２０１４年第４４卷第１０期大型汽车吊作业钢平台的数字化分析及设计*田 娥１叶国新２李 毅２（１．北京联合大学，北京 １０００２０；２．中建钢构有限公司，北京 １０００４８）摘 要：在超高层钢结构施工前期，塔楼周围均已开挖，为保证后期吊装设备的安装、运输车辆正常进入作业区域展开施工，需设置临时平台作为吊装机械的工作平台。

大型吊装设备都是超常规荷载设计，过去的方法是设计混凝土平台，但其施工周期长，浪费材料也不环保，平台的材料不能二次利用。

通过设计全钢结构平台，运用ＭＩＤＡＳ软件对其进行模拟设计和仿真分析，分析在大型汽车吊最不利工况下作业平台的变形应力及稳定性，得到施工阶段平台的应力和挠度变化值。

钢平台施工完成后，对比５００ｔ汽车吊上平台作业的实测值和模拟值。

结果表明：钢平台的数字化模拟设计和仿真分析值是正确的，这种方法不仅保证了施工的安全性，而且还为类似工程的施工提供了借鉴。

关键词：钢平台；大型汽车吊；数字化模拟分析 ＤＯＩ：１０．１３２０４／ｊ．ｇｙｊｚ２０１４１００３２ＤＩＧＩＴＡＬＡＮＡＬＹＳＩＳＡＮＤＤＥＳＩＧＮＯF ＳＴＥＥＬＰＬＡＴFＯＲＭFＯＲＬＡＲＧＥＴＲＵＣＫＣＲＡＮＥＴｉａｎＥ１ＹｅＧｕｏｘｉｎ２ＬｉＹｉ２（１．ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｔｅｅｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅＣｏ．Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｐｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｕｐｅｒｈｉｇｈ－ｒｉｓｅｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｗａｓｄｏｎｅａｒｏｕｎｄｔｈｅｔｏｗｅｒ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｌａｔｅｌｉｆｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔｖｅｈｉｃｌｅｓｅｎｔｅｒｉｎｇｔｈｅａｒｅａａｎｄｓｔａｒｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｓｅｔｕｐｔｅｍｐｏｒａｒｙｐｌａｔｆｏｒｍａｓｔｈｅｈｏｉｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙｗｏｒｋｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｌａｒｇｅｈｏｉｓｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｕｌｔｒａｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｌｏａｄ，ｔｈｅｌａｓｔｍｅｔｈｏｄｉｓｔｏｄｅｓｉｇｎａｃｏｎｃｒｅｔｅｐｌａｔｆｏｒｍ，ｂｕｔｉｔｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｙｃｌｅｉｓｌｏｎｇ，ｗａｓｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｎｏｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙｆｒｉｅｎｄｌｙ．ＡｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄＭＩＤＡＳｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ，Ｉｔｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｔｒｕｃｋｃｒａｎｅｆｏｒｉｔｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｏｓｔｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｕｓｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｖａｌｕｅｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｔａｇｅ．Ａｆｔｅｒｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｓｔｅｅｌｐｌａｔｆｏｒｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖａｌｕｅｓａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｖａｌｕｅｓｏｆａ５００ｔｔｒｕｃｋｃｒａｎｅｆｏｒｉｔｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｔｅｅｌｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｃｏｒｒｅｃｔ，ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｎｏｔｏｎｌｙｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｂｕｔａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌｐｌａｔｆｏｒｍ；ｌａｒｇｅｔｒｕｃｋｃｒａｎｅ；ｄｉｇｉｔａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ*北京市教育委员会科技计划面上项目（ＳＱＫＭ２０１４１１４１７００７）。

第一作者：田娥，女，１９７７年出生，博士后，副教授。

电子信箱：ｊｄｔｔｉａｎｅ＠ｂｕｕ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１４－０７－２２１ 工程概况中国尊项目钢平台位于北京朝阳区Ｚ１５地块的北边，钢平台长为１２６ｍ，宽为１９．７ｍ；由于钢结构施工过程中塔楼周围均已开挖，为保证塔吊设备的安装、运输车辆等正常进入作业区域展开施工，需设置临时钢平台作为汽车吊工作平台，平台的布置尺寸考虑现场实际情况，其平面布置如图１所示，平台构件截面尺寸如表１所示。

此钢平台的主要用途主要为，Ｍ１２８０Ｄ塔吊安装时提供平台、运车提供出土通道、临时放置钢构件及钢筋等。

２ 荷载工况及组合荷载主要考虑５００ｋＮ汽车吊的恒荷载、活荷载和温度荷载。

模拟分析时主要考虑根据车辆行走、站位的位置施加活荷载。

２．１ 主要技术参数１）平台结构采用框架式结构，材质采用Ｑ３４５Ｂ，结构设计使用年限为１年；结构安全等级为三级。

２）主要荷载：ａ．结构构件自重；ｂ．活载局部分布荷载为１５５．５ｋＮ／ｍ２；堆场荷载为５０ｋＮ／ｍ２；局部集中荷载为２０３ｋＮ；ｃ．温度作用为±２０℃。

荷载工况组合如表２、表３所示。

大型汽车吊作业钢平台的数字化分析及设计———田 娥，等１６７ａ—平面；ｂ—立体１—铁围档；２—进口；３—出口；４—堆场区域；５—吊装区域护坡桩；桩基及管廓柱子位置；土建施工机械行走及堆场区域范围；地连墙；栈桥钢柱位置；５００ｔ汽车吊行走区域范围图１ 平台结构示意 ｍＦｉｇ．１ Ｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｄｉａｇｒａｍ表１ 平台构件截面尺寸Ｔａｂｌｅ１ Ｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｓｉｚｅｏｆｐｌａｔｆｏｒｍｐａｒｔｓ结构构件类型截面材质备注柱 Ｂ８００×３０Ｑ３４５Ｂ箱型柱主梁Ｈ１２００×５００×３０／４０Ｑ３４５Ｂ焊接Ｈ型钢主梁Ｈ６００×４００×２０／３０Ｑ３４５Ｂ焊接Ｈ型钢次梁ＨＮ８００×３００×１４／２６Ｑ３４５Ｂ热扎Ｈ型钢支撑Ｐ２１９×１２Ｐ１８０×１０Ｑ３４５Ｂ热扎Ｈ型钢表２ 荷载工况组合Ｔａｂｌｅ２ Ｌｏａｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ编号各工况组合系数恒荷载活荷载温度荷载说明１１．３５０．９８０．９８承载能力２１．２０１．４０１．４０３１．００１．００１．００使用性能 注：包络工况是指结构在所有组合荷载工况下最不利内力的集合。

表３ 活荷载工况汇总Ｔａｂｌｅ３ Ｓｕｍｍａｒｙｏｆｌｉｖｅｌｏａｄｓ活荷载工况荷载说明荷载类型荷载值Ｌ２汽车汽重机在平台段压次梁跨中集中荷载组１６×２０３Ｌ３汽车汽重机在平台段压主次梁跨中集中荷载组１６×２０３Ｌ４汽车汽重机吊装支腿在平台段压主梁跨中均布荷载１５５．５Ｌ５汽车汽重机吊装支腿在平台段压次梁跨中均布荷载１５５．５Ｌ６汽车汽重机吊装支腿在平台段压主次梁跨中均布荷载１５５．５注：集中荷载单位为ｋＮ；均布荷载单位为ｋＮ／ｍ２２．２ 边界条件２．２．１ 柱脚边界约束根据平台的施工方案及柱脚支座的构造做法，施工时柱脚安装在管廊桩的顶部（进一步设计），计算时柱脚约束取完全刚接。

２．２．２ 构件边界条件主梁与柱之间，上、下翼缘焊接于柱顶的连接板上，端部约束视为刚接；框架内主次梁之间采取翼缘焊接连接，腹板高强螺栓连接，视为刚接；框架内支撑与柱之间、支撑杆件之间的连接为铰接，延伸到路上的次梁，一端与柱子或梁采取翼缘焊接连接，腹板高强螺栓连接，另一端在光华路边上做条形基础，搭在条形基础上。

构件连接实际构造应尽可能接近设计约定，做到基本一致。

２．３ 整体结构计算结果根据前述结构计算依据及条件，利用ＭｉｄａｓＧｅｎＶｅｒ．７８０建立空间有限元模型进行计算分析。

钢柱、钢梁采用梁单元模拟，支撑采用桁架单元模拟。

柱底约束为全约束。

荷载施加分布图（其中吊车行走和吊装区域荷载为１５５．５ｋＮ／ｍ２，堆放区域按５０ｋＮ／ｍ２），如图２所示，钢平台计算模型如图３所示。

１—进口；２—出口；３—堆场区；４—吊装区５００ｔ汽车吊行走区域范围；土建施工机械行走及堆场区域范围图２ 平台桥面施加荷载分布 ｍＦｉｇ．２ Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｏｆａｐｐｌｙｉｎｇｌｏａｄｔｏｔｈｅｔｒｅｓｔｌｅｓｕｒｆａｃｅ图３ 钢平台计算模型Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｔｅｅｌｐｌａｔｆｏｒｍ２．４ 钢框架应力结果２．４．１ 平台梁应力结果梁单元在包络工况ｂｘ下的组合应力和位移如图４、图５所示。

最大应力为２１９．５ＭＰａ＜ｆ＝２９５ＭＰａ，最大位移为２８．７ｍｍ，满足应力及位移要求。

２．４．２ 柱应力结果平台柱在包络工况ｂｘ下的组合应力和位移如图６、图７所示。

通过计算结果可知，柱子最大应力为１７４．３２ＭＰａ，综合位移为２８．７８ｍｍ，小于Ｑ３４５Ｂ钢设计强度及钢结构设计规范ＧＢ５００１７—２００３位移要求。

计算１６８工业建筑 ２０１４年第４４卷第１０期图４ 钢框架梁单元包络组合下应力 ＭＰａＦｉｇ．４ Ｔｈｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｂｅａｍｅｎｖｅｌｏｐｅｓｔｒｅｓｓ图５ 钢框架梁单元包络组合下位移 ｍｍＦｉｇ．５ Ｔｈｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｂｅａｍｅｎｖｅｌｏｐｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ图６ 钢柱在包络工况下应力 ＭＰａＦｉｇ．６ Ｔｈｅｓｔｅｅｌｃｏｌｕｍｎｓｅｎｖｅｌｏｐｅｓｔｒｅｓｓ图７ 钢柱在包络工况下位移 ｍｍＦｉｇ．７ Ｔｈｅｓｔｅｅｌｃｏｌｕｍｎｓｅｎｖｅｌｏｐｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ结果显示，柱间支撑最大应力为１１９．７６ＭＰａ，位移最大为２８．７８ｍｍ，满足规范强度及变形要求。

２．５ 钢框架整体变形结果整体钢框架在包络工况ｂｘ下的应力及变形如图８、图９所示。

图８ 整体钢框架应力结果 ＭＰａＦｉｇ．８ Ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｓｔｒｅｓｓｒｅｓｕｌｔｓ图９ 整体钢框架位移结果 ｍｍＦｉｇ．９ Ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ计算结果显示，整体框架结构最大应力是２１９．５ＭＰａ，最大位移是２８．７ｍｍ。

２．６ 框架构件应力验算比钢平台构件应力验算比如图１０所示。

图１０ 框架钢构件验算比Ｆｉｇ．１０ Ｆｒａｍｅｓｔｅｅｌｍｅｍｂｅｒｃｈｅｃｋｉｎｇｒａｔｉｏ２．７ 计算结果钢柱的柱顶最大水平位移为２７．７ｍｍ，该柱柱高２７．２０ｍ，多层框架的柱顶位移限值为Ｈ／５００＝５４．４ｍｍ，Δｍａｘ＝２７．７ｍｍ＜［Δ］＝５４．４ｍｍ。