吊籃鋼軌結構受力的有限元分析

曾 峰

（廣州特種機電設備檢測研究院，廣東廣州510000）

1 吊裝鋼結構計算

1.1 計算說明

以吊籃鋼結構作為計算對象，通過計算結果確定鋼結構和連接節點是否滿足設計要求。根據吊籃鋼結構受力特點設計出計算模型，進行桿件分析和計算。鋼結構材質為Q235 B。分析校核此結構，首先在AUTOCAD中建立三維模型圖，然后導入有限元計算軟件ANSYS 10.0，以Beam單元來模擬鋼結構，并在單元上施加荷載，結構自重由軟件自行計入然后進行有限元結構計算，最終確定鋼構件的截面尺寸以及結構的構造形式。鋼結構采用剛接節點連接，前端連接鋼絲繩固定到土建結構上[1]。

1.2 截面參數及材料參數

結構截面的幾何參數如下：

懸挑鋼框采用工型鋼：16#工字鋼；

前端橫向鋼梁采用工字鋼：18#工字鋼；鋼絲繩采用6×19鋼絲繩：直徑14 mm。根據《鋼結構設計規范》（GB 50017—2017），結構的材料參數如下：

型材采用Q235碳鋼（0＜t≤16），楊氏彈性模量：E=2.06×105N/mm2；

抗拉、壓、彎強度設計值：fy=215 N/mm2；

抗剪強度設計值：fy=125 N/mm2；

局部承壓強度設計值：fce=325 N/mm2。

1.3 荷載分析

在吊裝過程中，吊裝材料荷載和吊裝人員荷載均為6.0 kN，考慮動荷載系數1.1，荷載分項取值為1.35，則吊裝鋼結構承受的荷載為F=1.35×1.1×6.0=8.91 kN[2]。圖1所示為結構力學模型圖，圖2所示為結構應力云圖。

圖1 結構力學模型圖（荷載作用到橫向鋼梁跨中位置）

圖2 結構應力云圖（荷載作用到橫向鋼梁跨中位置）

1.4 結構強度分析結論

結構在荷載作用下產生的應力為：

所以結構強度滿足要求。

鋼絲繩拉力為：

式中，α為鋼絲繩之間的荷載不均勻系數；Fg為鋼絲繩的容許拉力（kN）；K為鋼絲繩使用安全系數（根據《建筑施工計算手冊》第13.1.1.2）。

所以鋼絲繩承載力滿足要求。

2 鋼梁根部連接焊縫計算

挑出鋼架根部焊縫承受正應力和剪應力。

此處挑出鋼梁根部采用角焊縫，焊腳尺寸為8.0 mm，E43型焊條現場手工焊接，焊縫質量等級為三級，其抗拉、抗剪強度設計值均為：ftb=160 N/mm2。

該節點上連接板根部焊縫處的最大外荷載大小為：

軸力：N=RFy=9 906.7 N；

剪力：V=RFx=5 312.0 N；

彎矩：Mz=4 774 600 N·mm。

則焊縫的強度為：

（1）正應力：

（2）剪應力：

焊縫還應同時滿足下式：

所以焊縫滿足設計要求。

3 埋件計算

3.1 預埋件的強度分析

此處以預埋件作為計算對象，此埋件主要承受支反力。因此，此處將上述最大支反力作為埋件的外荷載對預埋件進行計算[3]。

此處采用6根φ12錨筋固定，錨筋的材質為HRB400，錨板的厚度為t=10 mm，此計算部位埋件所受的最大內力為：

軸力：N=RFy=9 906.7 N；

剪力：V=RFx=5 312.0 N；

彎矩：Mz=4 774 600 N·mm。

預埋件的集合特性計算：

混凝土抗壓強度設計值：C30fc=14.3 MPa；混凝土軸心抗拉強度設計值：C30ft=1.43 MPa；錨筋抗拉強度設計值：fy=300 MPa；錨板的厚度：t=10 mm；錨筋直徑：d=12 mm；錨筋數量：n=6；錨筋的外形系數：α=0.14；外層錨筋中心線的距離Z=100 mm；錨筋層數影響系數：αr=1.0。

錨筋的受剪承載力系數：

錨板的彎曲變形折減系數：

當有剪力、法向拉力和彎距共同作用時，應分別按下列公式計算，取兩者的最大值：

實際配筋面積：

所以設計的預埋件強度符合要求。

3.2 錨筋長度的計算

根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）：

式中，α為錨筋的外形系數；fy為錨筋抗拉強度設計值；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值；d為錨筋直徑；ξ為錨筋長度的折減系數，ξ=0.6。

現配錨筋總面積A=678.584 mm2，錨筋長度為240 mm，滿足使用要求[4]。

4 結語

綜上所述，此吊籃鋼軌結構滿足工程使用要求。吊籃作為一種高空作業的建筑施工設備，具有一定的安全風險，計算與方案是從理論上去把握設備的使用狀態，當施工中發現吊籃設備故障和安全隱患時，應及時排除；可能危及人身安全時，必須停止作業，并由專業人員進行維修；維修后的吊籃應重新進行驗收檢查，合格后方可使用。