自適應斜支撐系統的計算分析

韓亞明 曹劉坤 朱敏濤 徐大為 王曉旻

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

裝配式結構安裝過程中，臨時支撐結構非常重要[1-3]。本文在常規斜支撐的基礎上，提出由支撐桿件系統、電子測垂系統、動力輸出及調整系統組成的自適應斜支撐系統。在豎向構件吊裝就位后，設置電子垂直度測量傳感器（電子測垂系統），反饋無線數據信號，“一鍵式”啟動外置數據轉換及控制設備（動力輸出及調整系統），對斜支撐后部設置的驅動器進行驅動，使得斜支撐桿件（支撐桿件系統）伸縮，從而快速引導預制墻體達到預期姿態，實現智能化、高精度調節。

1 數值計算分析

1.1 自適應斜支撐系統有限元模型建立

有限元軟件Abaqus建模的實際操作過程包括支撐各部件繪制、各部件材料屬性設置、部件裝配、分析步設置、互相作用設置、荷載加載、網格劃分以及運算和后處理。

1.1.1 自適應斜支撐系統材料本構模型

自適應斜支撐系統為全鋼制作，均采用Q235型號的鋼材，屈服強度為235 MPa，彈性模型為206 GPa，泊松比為0.3。考慮到支撐在加載過程中鋼材最大應變＜5%，因此鋼材的應力-應變關系采用理想雙線型隨動強化材料模型如圖1所示，切線模量E2取彈性模量E1的2%。

圖1 鋼材本構模型

其中材料的塑性設置值為：屈服應力235 MPa，塑性應變為0；屈服應力450 MPa，塑性應變為0.051。

1.1.2 自適應斜支撐系統網格劃分

網格單元類型為八節點六面體線性減縮積分單元。該單元適于細網格劃分、含有接觸問題的數值模擬。根據實際構件和SolidWorks模型，建立有限元模型（圖2）。

圖2 網格劃分

1.1.3 自適應斜支撐系統加載制度

在四鋼支撐-墻體系中，根據實際工作中自適應斜支撐系統的固定方式，自適應支撐系統兩端與墻、地上的剪切板通過耳板連接墻體底部可以滑動，靠支撐固定。在墻板外側同時施加風壓荷載和底部撞擊力，為最不利荷載組合情況（圖3）。

圖3 模擬組合荷載

1.2 自適應斜支撐系統有限元結果分析

模擬結果如圖4所示，自適應斜支撐系統穩定，由于應力集中現象，桿件局部應力較大。上支撐桿件平均應力為39.30 MPa，下支撐桿件平均應力為13.19 MPa，連接板的最大應力為20.40 MPa，均滿足要求。

圖4 模擬結果

2 規范計算分析

上海某工地60 m處需安裝一片高度為2.9 m、寬度為2.6 m、厚0.3 m的裝配式墻板，因為不同荷載組合后，自適應斜支撐系統的承載力有可能不夠，需要對其進行校算。本文將給出風荷載和撞擊荷載組合下的工況進行過程，根據鋼結構的基本概念和相關規范以及建筑結構荷載規范，對自適應斜支撐進行剛度、強度、連接件等校算。

2.1 基本荷載

按照規范所給公式計算風荷載計算值：

式中：ωk——風荷載標準值；

βz——高度z處的風振系數；

μs——風荷載體型系數；

μz——風壓高度變化系數；

ω0——基本風壓。

對于撞擊荷載，取吊裝墻板自重的20%進行計算（自重60 kN）。2種荷載疊加組合，組成最不利荷載撞擊在裝配式墻板上端。

2.2 校核計算

1）強度校算。正應力計算公式如下：

式中：N——所計算截面處的拉力設計值；

f ——鋼材的抗拉強度設計值；

A——構件的毛截面面積。

2）剛度校算。i＝(D2＋d2)1/2/4＝15.95 mm，λ＝l0/i＝154.77＜[λ]＝200。

3）穩定性校算。λ( fy/235)1/2＝142.74，查表得φ（軸心受壓構件的穩定系數，取截面兩主軸穩定系數中的較小者）＝0.374 3，則有：N/(φAf )＝0.59＜1。

4）焊縫校算。σ＝N/(lwhe)＝85.77 MPa＜205 MPa（對接焊縫抗拉、抗壓強度設計值）。其中，lw為焊縫長度；he為對接焊縫的計算厚度（在對接連接節點中取連接件的較小厚度，在T形連接節點中取腹板的厚度）。

5）連接板抗剪校算。σ＝N/dt ＝120.37 MPa＜ 205 MPa。

當風荷載與撞擊荷載組合作用在雙鋼支撐-墻體系時，直接將2種荷載疊加作用在體系上，支撐強度、剛度、穩定性均滿足要求。同時連接件的驗算，包括焊接時焊縫、螺栓連接以及與墻、地處的連接板均滿足要求。

2.3 結果對比

在風荷載、撞擊荷載和組合荷載作用下，由于端部有較大的塑性變形，在依據規范進行計算時沒有考慮，致使有限元模擬結果與規范計算結果有較大誤差，具體結果為：上支撐的有限元模擬結果為39.300 MPa，規范計算結果為45.740 MPa，誤差14.1%；下支撐的有限元模擬結果為13.190 MPa，規范計算結果為12.314 MPa，誤差6.7%。

3 結語

本文通過有限元軟件對自適應斜支撐系統的受力進行模擬，結果表明自適應斜支撐系統能夠有效地工作。本文還給出了自適應斜支撐系統的工程算例，算例表明自適應斜支撐系統可以安全工作。自適應斜支撐系統，在常見支撐的基礎上進行一系列改進，在施工方面可保證安全高效、準確可靠，可廣泛推廣使用。