大跨度懸挑梁腳手架支撐體系有限元分析

陳順霖 陳信堂 陳東

摘要：近年來，越來越多造型獨特的非常規建筑被設計和使用.為保證結構的穩定安全，利用ABAQUS有限元軟件，對某懸挑長度為15.6m的車間懸挑梁，進行有限元模擬.此懸挑梁為預應力混凝土結構，模擬混凝土澆筑成型的過程，并采用生死單元法，實現有限元法對梁拆模及支撐體系的拆卸過程的模擬，分析此梁在實際荷載作用下，混凝土、鋼筋及腳手架的應力情況和梁端的豎向撓度變形，確定施工過程中，結構在各工作階段的薄弱位置，為施工過程中監測點及監測方案提供參考，確保施工結構安全.

關鍵詞：懸挑;應力;有限元模擬;ABAQUS

中圖分類號：TU311.41 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2019）05-0096-03

1 工程概況

該項目為浙江嘉興某服裝廠車間.其車間2號樓屋面結構獨特（圖1），僅在一側設有支撐，利用懸挑梁板和預應力筋向外延伸，形成懸臂結構，使其結構底部成為開敞的空間，該懸挑跨度大，結構設計復雜，結構總高度為19.35m，樓屋面預應力弧形懸臂梁弧線長15.6m，水平懸挑長度為15.25m，共8根懸挑梁（圖2）.其中樓曲線懸臂梁截面最大面積為一根1000×1400～500mm的變截面梁，其施工集中線荷載超過40kN/m，模板支架屬于高支模體系，為滿足懸挑結構施工需求，支模架采用盤扣式腳手架，主要材料采用Q345B低合金結構鋼，其鋼管截面尺寸為Φ48×3.6mm.

懸挑結構主要由水平承托結構承擔結構的自重和樓面荷載，外伸懸挑端無多余約束，懸挑固定端易形成塑性鉸，可造成結構的傾覆破壞.[1]懸挑結構約束形式單一，端部彎矩，剪力和撓度與常規結構相比較大，且腳手架、模板均為臨時體系，其形狀、結構、壽命等均隨建筑結構而變，具有多樣性[2].懸挑結構主體跨度大，主梁下除格構梁之外，無任何墻柱支撐.懸挑最高處約20m，模板支架屬高支模體系，混凝土梁拆模及支撐體系拆卸工程中，施工時工況復雜，可能出現結構不均勻變形，需實時監測腳手架應力應變情況，防止支模系統發生坍塌.[3]

2 有限元模擬

為確定結構在混凝土澆筑及拆模過程中，鋼筋混凝土懸挑結構的應力情況和梁端豎向撓度變形，以及高支模體系腳手架承載力和不均勻變形情況，取截面面積最大的主梁進行分析.利用ABAQUS有限元軟件，模擬現場工況，確定工作階段薄弱環節，為現場監測提供參考.

2.1 單元選取

使用ABAQUS有限元軟件對懸挑結構進行穩定性分析和變形分析.根據設計圖尺寸，在AutoCAD軟件三維模式中，混凝土梁使用實體單元，底模板采用面單元，鋼筋及腳手架選擇線單元建立，隨后導入ABAQUS軟件中.在有限元軟件中，采用實體單元定義懸臂梁的混凝土結構，懸臂梁的底膜采用殼單元，盤扣式腳手架和梁中鋼筋采用線單元定義.混凝土在網格劃分模擬中選擇八結點線性六面體單元，鋼筋在結構中以受軸向拉力為主，選擇兩結點線性三維桁架單元分析.懸挑梁底模板，主要起傳力作用，與腳手架支撐體系相比，并非主要承重結構，模擬過程中無須考慮其自重及承載能力，因此底模板采用平面薄殼單元定義屬性.懸挑梁下部支撐體系為盤扣式鋼管腳手架，在自重風荷載以及上部荷載的作用下，可能產生剪力、軸力、彎矩等多種受力情況，故腳手架采用等截面兩結點線性空間梁單元分析計算.

2.2 材料本構關系

懸臂梁主體采用C40混凝土，鋼筋為HRB400.支撐體系為盤扣式腳手架，采用Q345B圓管鋼，懸挑梁底模采用木板材料.具體參數如下表1

2.3 ABAQUS有限元模型建立

有限元計算模型按照設計圖紙要求建立（圖3）.懸臂梁弧線長15.6m，懸挑水平長度15.25米，弧度約為5度，盤扣式腳手架立桿橫向間距900mm，縱向間距600mm，懸臂梁下共三排立桿.為保證模擬傳力過程與實際施工過程相近，除三排腳手架外，以1.5倍步距在腳手架兩側各建立一排立桿，以立桿頂端各端點為底模殼單元頂點，建立懸臂梁底模板.懸臂梁采用分離式模型建立，箍筋和縱筋作為整體，嵌入混凝土內，鋼筋作為線單元，不考慮混凝土和鋼筋之間的黏結滑移.底模木板與懸臂梁底部接觸部分以及底模木板端點與腳手架立桿頂點均采用綁定約束，腳手架立桿底部設置完全固定約束（圖4）.為保證計算分析準確網格劃分規整，懸臂梁網格全局尺寸為0.1m.

2.4 懸臂梁拆模

為實現懸挑結構由施工狀態到正常使用狀態的過渡，需模擬梁的拆模過程.懸臂梁為靜定結構，其重力起主要控制作用，主要受力鋼筋配置在上部結構，應從懸臂梁末端即梁自由端向嵌固端分階段逐步拆模，與懸臂梁過渡到工作狀態的實際過程最相符.[4]在有限元軟件中，將梁嵌固端設置完全固定邊界條件，使用生死單元法，控制相關單元的“生”和“死”，通過改變結構桿件的剛度矩陣，將其單元“殺死”.[5]在軟件中相互作用中，定義型號改變，使選定區域單元無效，殺死單元，并在分析步中向下一階段傳遞，實現拆模全過程的模擬.具體按擬定拆模方案，將腳手架和梁底模同時分四次拆模，第四階段拆模完成，懸挑結構達到工作狀態.

3 懸臂梁有限元結果分析

圖5為高支模懸挑梁澆筑完成后分析結果，顏色深淺即為應力大小分布情況.懸挑梁鋼筋在懸挑端部及梁跨中應力較大，其中最大應力在0.529MPa，鋼筋處于彈性變形階段.混凝土最大應力值位于懸臂梁端，最大應力在0.0284MPa.懸挑梁下三排腳手架立桿底端的應力較大，其中懸挑最大梁截面下立桿底端應力最大，最大應力為22.43MPa（圖5）.計算結果懸挑梁在澆筑完成階段鋼筋和混凝土均處于彈性階段，腳手架起主要承重作用，結構穩定.

懸臂梁四階段拆模階段計算結果具體如下：

第一階段：梁自由端豎向撓度3.98mm，腳手架應力最大值：36.6MPa，混凝土應力最大值：0.28MPa，鋼筋最大應力：14.9MPa

第二階段：梁自由端豎向撓度18.47mm，腳手架應力最大值：86.51MPa，混凝土應力最大值：0.57MPa，鋼筋最大應力：38.1MPa

第三階段：梁自由端豎向撓度29.53mm，腳手架應力最大值：20.74MPa，混凝土應力最大值：1.34MPa，鋼筋最大應力：86.23MPa

第四階段：梁自由端豎向撓度58.34mm，混凝土應力最大值：1.37MPa，鋼筋最大應力：149MPa.

由模擬結果可得出，第一階段（圖6）和第二階段（圖7）拆模時，腳手架起主要承重作用，混凝土和鋼筋應力較小，自由端豎向撓度無明顯變化.從第三階段（圖8）開始，鋼筋拉應力明顯增大，腳手架應力減小.第四階段（圖9），腳手架完全卸除，拆模完成懸挑結構進入工作狀態，此時鋼筋應力最大值達到149MPa，梁端自由撓度明顯增大，達到58mm.

根據規范計算拆模各階段允許撓度值，懸挑梁撓度限值為2L/400，其計算結果如下：

拆模第一階段，懸臂梁水平懸挑長度為4m，撓度值模擬值為3.98mm，規范允許撓度值為20mm.

拆模第二階段，懸臂梁水平懸挑長度7.75m，撓度模擬值為18.47mm，規范允許撓度值為38.75 mm.

拆模第三階段，懸臂梁水平懸挑長度11.5m，撓度模擬值為29.53mm，規范允許撓度值為57.5 mm.

拆模第四階段，懸臂梁水平懸挑長度15.25m，撓度模擬值為58.34mm，規范允許撓度值為76.25mm.

拆模過程，混凝土應力較小，梁自由端豎向撓度不斷增大，鋼筋拉應力增大，但并未超過鋼筋抗拉強度設計值，仍處于彈性階段.

4 結論

利用ABAQUS有限元軟件對大跨度懸臂主梁分析計算，按施工及拆模方案，分階段模擬，模擬混凝土澆筑完成階段的腳手架體系應力分布情況.利用有限元軟件中生死單元，模擬腳手架及混凝土模具拆模過程，從施工階段過渡至工作階段，計算腳手架和懸挑結構垂直撓度和應力分布情況，可得出以下結論：

（1）懸臂主梁澆筑完成階段，主梁截面面積最大處腳手架立桿應力最大，沿懸挑方向，隨著梁截面變小，立桿應力逐步減小.

（2）根據ABAQUS應力云圖可得出，腳手架每排立桿底部應力最大，立桿頂部和中段應力較大，實際施工中可在懸挑固定端選擇立桿上端、中部、底端各布置三個應變計，實時監測應力變化.

（3）懸挑梁腳手架分階段拆模，每階段最外側立桿應力最大，第二階段應力達到最大值86.51 MPa.隨著腳手架的拆除，第二階段懸臂梁鋼筋應力明顯增大達到86.51MPa，拆模完成時鋼筋應力達到最大值149MPa，未超過鋼筋抗拉強度設計值，仍處于彈性階段.

（4）在拆模各階段中，ABAQUS模擬懸挑端豎向撓度模擬值均在規范允許值內，大跨度懸挑結構穩定可靠.

（5）此次模擬腳手架采用梁單元，各桿件之間默認剛節點連接，實際盤扣式腳手架桿件連接為鉸接，模擬中剛接約束限制轉動，腳手架傳力和結構形變與實際結構有區別，將來可考慮釋放節點自由度，精化計算結果.

參考文獻：

〔1〕還文超.大跨度懸挑混凝土桁架結構施工模擬及監測技術[D].蘇州科技大學，2016.

〔2〕李偉，張家樹，關群.超大跨度懸挑梁設計與施工關鍵技術研究[J].安徽建筑大學學報，2012（20）：29-31.

〔3〕文鐵軍，曾青，唐竹影.大跨度空間鋼結構桁架有限元分析[J].固體力學學報，2008（12）：141-145.

〔4〕楊武勇，李衛.大跨度懸挑混凝土桁架結構施工模擬及監測技術[J].施工技術，2018（47）：17-20.

〔5〕李清超，徐曉暉，陳剛，邵先.136m高空懸挑鋼平臺有限元分析及監測技術應用[J].施工技術，2017（46）：137-140.