超大懸挑雨篷施工過(guò)程變形仿真技術(shù)分析

陳澤賢 胡心焰 黃子佳 李文祥 李 進(jìn)

(武漢建工集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430056)

1 概述

隨著梅雨季節(jié)的到來(lái)，部分地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)性的強(qiáng)降水，惡劣的天氣導(dǎo)致全國(guó)各地發(fā)生了多起雨篷坍塌事件。因此，對(duì)雨篷的結(jié)構(gòu)安全性提出了更高的要求，研究雨篷結(jié)構(gòu)各工況下位移變化變形規(guī)律，可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)雨篷的受力體系進(jìn)行優(yōu)化，最大限度減小鋼結(jié)構(gòu)雨篷的變形，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強(qiáng)度。

武漢某項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)超大懸挑鋼結(jié)構(gòu)雨篷采用大懸挑H型鋼梁結(jié)構(gòu)，其一端錨固在主體結(jié)構(gòu)梁上，另一端由四根鋼管拉結(jié)并分別錨固在主體結(jié)構(gòu)的四個(gè)框架柱上。為了便于在施工過(guò)程中了解雨篷鋼結(jié)構(gòu)的變形位移以及最大程度減小雨篷結(jié)構(gòu)對(duì)主體結(jié)構(gòu)梁的負(fù)載，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬鋼構(gòu)雨篷的施工過(guò)程及其位移應(yīng)力的變化，并采取相應(yīng)的措施控制鋼構(gòu)雨篷的最大變形及對(duì)錨固梁的影響。

2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控仿真技術(shù)

工程采用大型有限元軟件ABAQUS進(jìn)行施工過(guò)程的仿真模擬。ABAQUS被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線(xiàn)性問(wèn)題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析，同時(shí)還可以做系統(tǒng)級(jí)的分析和研究。

2.2 雨篷關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)仿真模擬

在計(jì)算機(jī)仿真分析中，對(duì)結(jié)構(gòu)邊界條件以及構(gòu)件節(jié)點(diǎn)之間的準(zhǔn)確模擬是計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的重要保證。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，雨篷結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有兩處，一處為雨篷主梁與拉桿之間的鉸接，另外一處為雨篷主梁與主體結(jié)構(gòu)柱及梁的錨接。鉸接就是允許連接桿可以繞x，y，z三個(gè)坐標(biāo)軸任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)但約束三個(gè)坐標(biāo)軸方向的位移。在雨篷的安裝過(guò)程中由于錨接件是采用高強(qiáng)度膨脹螺栓及轉(zhuǎn)接鋼板對(duì)雨篷主梁及主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)梁有較強(qiáng)的抗扭剛度時(shí)，可認(rèn)為錨接為剛性連接。剛性連接即約束連接梁位于該連接點(diǎn)的6個(gè)位移自由度[1]，如圖1所示。

2.3 雨篷安裝過(guò)程支點(diǎn)的分布

按雨篷安裝開(kāi)始前，必須根據(jù)PKPM軟件對(duì)腳手架的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果滿(mǎn)足要求方可進(jìn)行腳手架的架設(shè)施工，如圖2所示。根據(jù)雨篷結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在不影響安裝施工的前提下合理分布支撐點(diǎn)，故支承點(diǎn)不應(yīng)與雨篷結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位置重合[2]，施工方案的支承點(diǎn)分布如圖3所示。在建模分析中，為了提高分析效率，腳手架對(duì)雨篷的支承模擬采用點(diǎn)位約束，即不建立腳手架模型，對(duì)支承點(diǎn)位置進(jìn)行移位約束來(lái)模擬支承作用。

2.4 雨篷的安裝流程及仿真工況劃分

雨篷的安裝施工流程為：錨點(diǎn)及腳手架定位放線(xiàn)→腳手架架設(shè)→腳手架承載力試驗(yàn)→雨篷主梁安裝→錨點(diǎn)焊接緊固、檢查雨篷橫梁安裝→拉桿安裝→抗拉拔試驗(yàn)→玻璃板安裝→腳手架拆除[3]。

根據(jù)雨篷重力荷載以及邊界條件的變化，仿真過(guò)程分為5個(gè)工況來(lái)分析，如表1所示。

在工況4中，玻璃板的安裝僅僅是增加了雨篷結(jié)構(gòu)的受力荷載，因此出于簡(jiǎn)化模型及提高分析效率的考慮，采用等效重力荷載均勻分布于雨篷主梁和橫梁上來(lái)替代玻璃板對(duì)雨篷結(jié)構(gòu)的作用影響，見(jiàn)圖4。

表1 5個(gè)工況情況說(shuō)明

2.5 變形仿真結(jié)果

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)雨篷施工過(guò)程中位移變化進(jìn)行模擬及預(yù)測(cè)，如果變形位移超出設(shè)計(jì)要求，則可在施工前進(jìn)行受力體系的優(yōu)化和更改，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求才可進(jìn)行具體的安裝施工，保證雨篷施工的安全和質(zhì)量[4]，如圖5所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)超大懸挑鋼結(jié)構(gòu)雨篷施工過(guò)程變形監(jiān)控進(jìn)行仿真模擬，可清楚了解施工過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)雨篷各主要部位的變形特點(diǎn)及位移大小，能指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員對(duì)鋼結(jié)構(gòu)雨篷的受力體系進(jìn)行優(yōu)化及局部連接點(diǎn)的改進(jìn)，最大限度減小鋼結(jié)構(gòu)雨篷的變形，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強(qiáng)度，見(jiàn)表2。

表2 工況1、工況4、工況5關(guān)鍵部位最大位移表

4 實(shí)施效果及經(jīng)濟(jì)效益

武漢某項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)超大懸挑鋼結(jié)構(gòu)雨篷施工采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，各工況的位移變化符合實(shí)際變形規(guī)律，其仿真結(jié)果能有效指導(dǎo)施工人員的作業(yè)以及提高施工過(guò)程中的安全性，同時(shí)也驗(yàn)證了工程施工設(shè)計(jì)方案的可行性和安全性，較少施工過(guò)程中的返工及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作，節(jié)約施工成本，同時(shí)也能為類(lèi)似的工程提供有效的參考。