CN116842767B - 一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法，通过在模拟软件中对散件拼装、模块调平、SPMT转运、驳船转运、施工现场堆存、模块提升及滑移的各个施工阶段进行受力分析，通过结构受力的精确模拟保证理论分析的边界条件与实际相同，使得施工过程中支撑结构及钢结构的受力更合理，同时对支撑结构进行结构改进，使其满足全过程施工阶段的支撑要求，提升支撑结构的适用性，并且使得支撑结构能够满足适应支撑转换时的受力变化，进而保证施工过程中结构的稳定性和安全性。

Description

一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法

技术领域

本发明涉及钢结构施工模拟分析技术领域，具体涉及一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法。

背景技术

大型模块化钢结构施工案例越来越多，在这些案例中都有共同的特点，那就是普遍涉及到钢结构模块的支撑转换，由于需要经过散件拼装、模块调平、SPMT转运、驳船转运、施工现场堆存、模块提升及滑移等多个施工阶段，而且各个施工阶段之间的支撑条件不同，导致不同阶段之间需要进行支撑转换，支撑转换时需要保证结构安全及稳定，现有的常规做法中由于支撑条件转换受力不明确，支撑之间存在较多的交叉干涉，导致理论分析的边界条件与实际不符，因此为了安全冗余大多采用纯刚性节点抵抗反力，而所采用的结构受力不合理不安全，在经济与安全等方面有较大缺陷。本发明提供一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法，通过有限元分析，精确模拟结构受力特性并对支撑结构进行设计，使得支撑结构能够满足施工全过程的支撑要求，具有通用性，保证钢结构模块施工过程中支撑的稳定安全。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法，包括以下步骤：

S1，建立模型：在模拟软件中建立钢结构模块模型，增设施工步骤；

S2，拼装阶段模型组装：在钢结构模块上添加中间转换梁和支撑架，中间转换梁设置在钢结构模块中部，支撑架设置在钢结构模块端部及中间转换梁下方；

S3，拼装阶段受力分析：添加外界荷载H1，对拼装阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块、中间转换梁和支撑架的反力；

S4，调平及运输阶段模型组装：在钢结构模块上添加中间转换梁和边侧转换梁，钢结构模块通过中间转换梁和边侧转换梁设置在SPMT车的支撑架上；

S5，调平及运输阶段受力分析：添加外界荷载H2，对调平及运输阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算中间转换梁、边侧转换梁和支撑架的反力；

S6，海运阶段模型组装及受力分析：海运阶段模型与步骤S2中拼装阶段模型相同，添加外界荷载H3进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块、中间转换梁和支撑架的反力；

S7，堆存阶段组装及受力分析：堆存阶段模型与步骤S2中拼装阶段模型相同，添加外界荷载H4进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块、中间转换梁和支撑架的反力；

S8，提升阶段模型组装及受力分析：在钢结构模块上添加提升点，添加外界荷载H5，对提升阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块反力；

S9，滑移阶段模型组装：在钢结构模块上添加中间转换梁和边侧转换梁，钢结构模块通过中间转换梁和边侧转换梁设置在滑移轨道上；

S10，滑移阶段受力分析：添加外界荷载H6，对滑移阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算中间转换梁和边侧转换梁的反力；

S11，设计支撑工装并进行稳定性分析：根据各个阶段的受力分析，得到相应的施工边界条件，设计出相应的支撑工装，并将支撑工装添加至钢结构模块中进行刚度分析，对该刚度进行迭代分析得到最终的支撑反力，并验算钢结构模块在运输过程的受力。

进一步地，步骤S11中，支撑工装设置在钢结构模块与中间转换梁、钢结构模块与边侧转换梁之间，支撑工装包括支撑柱和限制座，支撑柱设在钢结构模块上，限制座设在中间转换梁和边侧转换梁上，支撑柱设在限制座中，并根据施工阶段不同施加不同的限制条件。

进一步地，外界荷载H1和H4包括模块自重荷载、风荷载和温度荷载，外界荷载H2包括模块自重荷载、风荷载、温度荷载和车运加速度荷载，外界荷载H3包括模块自重荷载、风荷载、温度荷载和海浪荷载，外界荷载H5包括模块自重荷载、风荷载和提升加速度荷载，外界荷载H6包括模块自重荷载、风荷载、温度荷载和滑移加速度荷载。

进一步地，反力释放采用固定约束、单向滑动释放和双向滑动释放的方式，单向滑动释放包括X向滑动释放和Y向滑动释放。

进一步地，中间转换梁和边侧转换梁进行反力释放的步骤如下：

将中间转换梁设置为线模型，在线模型的两端设置竖向刚性杆，将边侧转换梁设置为点模型，在点模型的底端设置竖向刚性杆，在竖向刚性杆底部设置X向及Y向的刚度弹簧。

进一步地，步骤S8中，提升点设在钢结构模块的侧边中部及角部。

进一步地，步骤S9中，滑移轨道包括轨道梁和滑靴，滑靴位于轨道梁上，滑靴设在中间转换梁和边侧转换梁的底部。

进一步地，步骤S9中，滑靴与轨道梁之间、滑靴与中间转换梁之间、滑靴与边侧转换梁之间的反力释放采用单向滑动释放，中间转换梁与钢结构模块、边侧转换梁与钢结构模块之间的反力释放采用固定约束。

本发明有益效果如下：

利用模拟软件对钢结构模块整个施工过程中的支撑条件进行分析，通过结构受力的精确模拟保证理论分析的边界条件与实际相同，使得施工过程中支撑结构及钢结构的受力更合理，同时对支撑结构进行结构改进，使其满足全过程施工阶段的支撑要求，提升支撑结构的适用性，并且使得支撑结构能够满足适应支撑转换时的受力变化，进而保证施工过程中结构的稳定性和安全性。

附图说明

图1为本发明的支撑结构设置位置示意图；

图2为本发明的支撑结构反力释放状态示意图；

图3为本发明的反力释放模拟示意图；

图4为本发明的调平及运输阶段中间转换梁受力分析模拟示意图；

图5为本发明的调平及运输阶段边侧转换梁受力分析模拟示意图；

图6为本发明的提升阶段提升点设置位置示意图；

图7为本发明的滑移阶段中间转换梁受力分析模拟示意图；

图8为本发明的滑移阶段边侧转换梁受力分析模拟示意图；

图9为本发明的支撑工装结构示意图；

图10为本发明的风荷载的X方向示意图；

图11为本发明的风荷载的Y方向示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

如图1、2、6所示，一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法，施工全过程包括拼装、调平、车运、海运、堆存、提升及滑移的步骤，按照先后顺序进行施工。整个施工过程中，钢结构模块通过支撑结构进行支撑，支撑结构包括中间转换梁和边侧转换梁，支撑结构需要满足整个施工过程及不同施工步骤转换时对钢结构模块的稳定支撑，而重达1400吨的模块需要在施工步骤之间转换支撑条件，并且在不同的施工步骤中支撑结构的组成不同，因此支撑结构不仅需要满足不同施工步骤下施工环境不同导致的不同支撑要求，而且支撑结构采用不同组合的情况下也需要满足支撑要求。本发明利用模拟软件建立模型，在不同施工阶段进行支撑条件转换时，对钢结构和转换梁的受力进行受力分析及反力释放，得出相应的边界条件，然后根据边界条件对支撑结构进行改动，使得不同组合的支撑结构能够满足各个施工阶段之间进行支撑转换时的受力要求，解决了现有技术中理论分析与实际施工不符，以及施工中支撑结构受力不合理、不安全和经济性较差的问题。

一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法，包括以下步骤：

S1，建立模型：在SAP2000模拟软件中根据实际结构建立钢结构模块三维杆件模型，增设施工步骤。

在不同施工阶段，模拟分析时，支撑结构采用通过点弹簧约束实现受力以及反力释放，通过点弹簧约束进行反力释放，反力释放采用固定约束、单向滑动释放和双向滑动释放的方式，单向滑动释放包括X向滑动释放和Y向滑动释放；实际施工时，通过支撑工装实现受力及反力释放，通过在不同方向的间隙中设置塞板实现不同的限制条件，达到与模拟分析中点弹簧约束相同的作用。

S2，拼装阶段模型组装：拼装阶段钢结构模块仅通过中间转换梁进行支撑，边侧转换梁不起支撑作用，在钢结构模块上添加中间转换梁和支撑架，中间转换梁设置在钢结构模块中部，支撑架设置在钢结构模块端部及中间转换梁下方。

S3，拼装阶段受力分析：添加外界荷载H1，对拼装阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块、中间转换梁和支撑架的反力。

S4，调平及运输阶段模型组装：在钢结构模块上添加中间转换梁和边侧转换梁，钢结构模块通过中间转换梁和边侧转换梁设置在SPMT车的支撑架上。

调平阶段是指钢结构模块从支撑架转移至SPMT车上，在SPMT车上将模块由拼装阶段的倾斜状态调整成水平状态的过程，运输阶段是指通过SPMT车将模块运输至驳船上，以及由驳船运输至堆存场地的过程。调平及运输过程中，中间转换梁和边侧转换梁均起到支撑作用，需要进行受力分析和反力释放。此阶段中间转换梁和边侧转换梁设置在SPMT车的支撑架上。

S5，调平及运输阶段受力分析：添加外界荷载H2，对调平及运输阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算中间转换梁、边侧转换梁和支撑架的反力。

S6，海运阶段模型组装及受力分析：海运阶段模型与步骤S2中拼装阶段模型相同，添加外界荷载H3进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块、中间转换梁和支撑架的反力。

海运阶段是指钢结构模块由SPMT车转移至驳船上，通过驳船进行运输的过程。此阶段只有中间转换梁起到支撑作用，中间转换梁设置在驳船的支撑架上。

S7，堆存阶段组装及受力分析：堆存阶段模型与步骤S2中拼装阶段模型相同，添加外界荷载H4进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块、中间转换梁和支撑架的反力。

堆存阶段是指通过SPMT车将钢结构模块从驳船运输至堆存场地进行堆存的过程。此阶段只有中间转换梁起到支撑作用，中间转换梁设置在支撑架上。

S8，提升阶段模型组装及受力分析：在钢结构模块上添加提升点，添加外界荷载H5，对提升阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块反力。

提升阶段共设置8个提升点，4个设在钢结构模块的侧边中部，4个设置在钢结构模块的角部，进行受力分析时，对提升点以及钢结构模块之间的受力进行分析及反力释放

S9，滑移阶段模型组装：在钢结构模块上添加中间转换梁和边侧转换梁，钢结构模块通过中间转换梁和边侧转换梁设置在滑移轨道上。

进一步地，步骤S9中，滑移轨道包括轨道梁和滑靴，滑靴位于轨道梁上，滑靴设在中间转换梁和边侧转换梁的底部。

进一步地，步骤S9中，每个钢结构模块通过四条滑移轨道进行滑移，每条滑移轨道上设置两个滑靴，中间转换梁和边侧转换梁各设置两组，每组中间转换梁和边侧转换梁分别位于四条滑移轨道上。

进一步地，步骤S9中，滑靴与轨道梁之间、滑靴与中间转换梁之间、滑靴与边侧转换梁之间的反力释放采用单向滑动释放，中间转换梁与钢结构模块、边侧转换梁与钢结构模块之间的反力释放采用固定约束。

S10，滑移阶段受力分析：添加外界荷载H6，对滑移阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算中间转换梁和边侧转换梁的反力。

S11，设计支撑工装并进行稳定性分析：根据各个阶段的受力分析，得到相应的施工边界条件，设计出相应的支撑工装，并将支撑工装添加至钢结构模块中进行刚度分析，对该刚度进行迭代分析得到最终的支撑反力，并验算钢结构模块在运输过程的受力。

如图9所示，进一步地，步骤S11中，支撑工装设置在钢结构模块与中间转换梁、钢结构模块与边侧转换梁之间，支撑工装包括支撑柱和限制座，支撑柱设在钢结构模块上，限制座设在中间转换梁和边侧转换梁上，支撑柱设在限制座中，并根据施工阶段不同施加不同的限制条件。

如图11所示，进一步地，支撑柱设在限制座中，支撑柱与限制座四周的侧边之间设有间隙，通过在间隙中设置塞板实现不同的限制条件；支撑柱与限制座之间留有间隙时，此时为双向滑动释放的反力释放方式，支撑柱与限制座之间在X向或Y向留有间隙时，此时为单向滑动释放的反力释放方式，并根据塞板设置位置分为X向滑动释放和Y向滑动释放，支撑柱与限制座之间未留间隙时，此时为固定约束的反力释放方式。

进一步地，外界荷载H1和H4包括模块自重荷载、风荷载和温度荷载，外界荷载H2包括模块自重荷载、风荷载、温度荷载和车运加速度荷载，外界荷载H3包括模块自重荷载、风荷载、温度荷载和海浪荷载，外界荷载H5包括模块自重荷载、风荷载和提升加速度荷载，外界荷载H6包括模块自重荷载、风荷载、温度荷载和滑移加速度荷载。

进一步地，所述风荷载包括正常操作风速、停止操作风速、模块锁固风速和台风风速，所述车运加速度荷载为3%g的加速度荷载，所述海浪载荷包括竖向加速度、沿长度方向加速度和沿宽度方向加速度，分别为8%g、8%g和23%g，g为重力加速度。

进一步地，正常操作风速的风速0-9.4m/s，在此风速内，模块转运等工作可正常进行，停止操作风速的风速9.4-12m/s，在此风速范围内，工作需要停止，但无需增加额外措施，模块锁固风速的风速12-30m/s，在此风速范围内，需要停止操作，且要增加限位措施将模块锁止，台风风速的30-37m/s，在此风速范围内，需要停止操作，锁住模块，并且要增加抗台风斜撑。

如图10、11所示，进一步地，风荷载包括X、Y两个方向上，施加风荷载时，需要两个方向综合施加。

如图3、4、5、6、7、8所示，进一步地，中间转换梁和边侧转换梁进行反力释放的步骤如下：

将中间转换梁设置为线模型，在线模型的两端设置竖向刚性杆，将边侧转换梁设置为点模型，在点模型的底端设置竖向刚性杆，竖向刚性杆用以模拟转换梁与设在其底部的支撑架的连接，在竖向刚性杆底部设置X向及Y向的刚度弹簧，精确模拟底部支撑架的各项刚度。

如图1、2所示，进一步地，步骤S4中，调平阶段是通过SPMT车将拼装后处于倾斜状态的钢结构模块调整成水平状态，运输阶段通过SPMT车将调平后的钢结构模块运输至驳船、从驳船运输至堆存场地以及从堆存场地运输至提升滑移场地的过程；调平及运输阶段均通过SPMT车进行，此过程中，钢结构模块通过中间转换梁和边侧转换梁设置在SPMT车，需要对中间转换梁和边侧转换梁进行受力分析。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法，其特征是，包括以下步骤：

S1，建立模型：在模拟软件中建立钢结构模块模型，增设施工步骤；

S2，拼装阶段模型组装：在钢结构模块上添加中间转换梁和支撑架，中间转换梁设置在钢结构模块中部，支撑架设置在钢结构模块端部及中间转换梁下方；

S3，拼装阶段受力分析：添加外界荷载H1，对拼装阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块、中间转换梁和支撑架的反力；

S4，调平及运输阶段模型组装：在钢结构模块上添加中间转换梁和边侧转换梁，钢结构模块通过中间转换梁和边侧转换梁设置在SPMT车的支撑架上；

S5，调平及运输阶段受力分析：添加外界荷载H2，对调平及运输阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算中间转换梁、边侧转换梁和支撑架的反力；

S6，海运阶段模型组装及受力分析：海运阶段模型与步骤S2中拼装阶段模型相同，添加外界荷载H3进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块、中间转换梁和支撑架的反力；

S7，堆存阶段组装及受力分析：堆存阶段模型与步骤S2中拼装阶段模型相同，添加外界荷载H4进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块、中间转换梁和支撑架的反力；

S8，提升阶段模型组装及受力分析：在钢结构模块上添加提升点，添加外界荷载H5，对提升阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算钢结构模块反力；

S9，滑移阶段模型组装：在钢结构模块上添加中间转换梁和边侧转换梁，钢结构模块通过中间转换梁和边侧转换梁设置在滑移轨道上；

S10，滑移阶段受力分析：添加外界荷载H6，对滑移阶段的钢结构模块进行受力分析及反力释放，计算中间转换梁和边侧转换梁的反力；

S11，设计支撑工装并进行稳定性分析：根据各个阶段的受力分析，得到相应的施工边界条件，设计出相应的支撑工装，并将支撑工装添加至钢结构模块中进行刚度分析，对该刚度进行迭代分析得到最终的支撑反力，并验算钢结构模块在运输过程的受力；

通过点弹簧约束进行反力释放，反力释放采用固定约束、单向滑动释放和双向滑动释放的方式，单向滑动释放包括X向滑动释放和Y向滑动释放；

步骤S11中，支撑工装设置在钢结构模块与中间转换梁、钢结构模块与边侧转换梁之间，支撑工装包括支撑柱和限制座，支撑柱设在钢结构模块上，限制座设在中间转换梁和边侧转换梁上，支撑柱设在限制座中，并根据施工阶段不同施加不同的限制条件；支撑柱与限制座四周的侧边之间设有间隙，通过在间隙中设置塞板实现不同的限制条件；支撑柱与限制座之间留有间隙时，此时为双向滑动释放的反力释放方式，支撑柱与限制座之间在X向或Y向留有间隙时，此时为单向滑动释放的反力释放方式，并根据塞板设置位置分为X向滑动释放和Y向滑动释放，支撑柱与限制座之间未留间隙时，此时为固定约束的反力释放方式；

外界荷载H1和H4包括模块自重荷载、风荷载和温度荷载，外界荷载H2包括模块自重荷载、风荷载、温度荷载和车运加速度荷载，外界荷载H3包括模块自重荷载、风荷载、温度荷载和海浪荷载，外界荷载H5包括模块自重荷载、风荷载和提升加速度荷载，外界荷载H6包括模块自重荷载、风荷载、温度荷载和滑移加速度荷载；

中间转换梁和边侧转换梁进行反力释放的步骤如下：

将中间转换梁设置为线模型，在线模型的两端设置竖向刚性杆，将边侧转换梁设置为点模型，在点模型的底端设置竖向刚性杆，在竖向刚性杆底部设置X向及Y向的刚度弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法，其特征是：步骤S8中，提升点设在钢结构模块的侧边中部及角部。

3.根据权利要求1所述的一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法，其特征是：步骤S9中，滑移轨道包括轨道梁和滑靴，滑靴位于轨道梁上，滑靴设在中间转换梁和边侧转换梁的底部。

4.根据权利要求1所述的一种大型模块化钢构件施工全过程支撑条件分析方法，其特征是：步骤S9中，滑靴与轨道梁之间、滑靴与中间转换梁之间、滑靴与边侧转换梁之间的反力释放采用单向滑动释放，中间转换梁与钢结构模块、边侧转换梁与钢结构模块之间的反力释放采用固定约束。