自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)的計(jì)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(tuán)有限公司 上海 200063

裝配式結(jié)構(gòu)安裝過程中，臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)非常重要[1-3]。本文在常規(guī)斜支撐的基礎(chǔ)上，提出由支撐桿件系統(tǒng)、電子測(cè)垂系統(tǒng)、動(dòng)力輸出及調(diào)整系統(tǒng)組成的自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)。在豎向構(gòu)件吊裝就位后，設(shè)置電子垂直度測(cè)量傳感器（電子測(cè)垂系統(tǒng)），反饋無線數(shù)據(jù)信號(hào)，“一鍵式”啟動(dòng)外置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及控制設(shè)備（動(dòng)力輸出及調(diào)整系統(tǒng)），對(duì)斜支撐后部設(shè)置的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得斜支撐桿件（支撐桿件系統(tǒng)）伸縮，從而快速引導(dǎo)預(yù)制墻體達(dá)到預(yù)期姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能化、高精度調(diào)節(jié)。

1 數(shù)值計(jì)算分析

1.1 自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)有限元模型建立

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

1.1.1 自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)材料本構(gòu)模型

自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)為全鋼制作，均采用Q235型號(hào)的鋼材，屈服強(qiáng)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(yīng)變＜5%，因此鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想雙線型隨動(dòng)強(qiáng)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(gòu)模型

其中材料的塑性設(shè)置值為：屈服應(yīng)力235 MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?；屈服應(yīng)力450 MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.051。

1.1.2 自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格單元類型為八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元。該單元適于細(xì)網(wǎng)格劃分、含有接觸問題的數(shù)值模擬。根據(jù)實(shí)際構(gòu)件和SolidWorks模型，建立有限元模型（圖2）。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.1.3 自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)加載制度

在四鋼支撐-墻體系中，根據(jù)實(shí)際工作中自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)的固定方式，自適應(yīng)支撐系統(tǒng)兩端與墻、地上的剪切板通過耳板連接墻體底部可以滑動(dòng)，靠支撐固定。在墻板外側(cè)同時(shí)施加風(fēng)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(yīng)斜支撐系統(tǒng)有限元結(jié)果分析

模擬結(jié)果如圖4所示，自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)穩(wěn)定，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，桿件局部應(yīng)力較大。上支撐桿件平均應(yīng)力為39.30 MPa，下支撐桿件平均應(yīng)力為13.19 MPa，連接板的最大應(yīng)力為20.40 MPa，均滿足要求。

圖4 模擬結(jié)果

2 規(guī)范計(jì)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?yàn)椴煌奢d組合后，自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)的承載力有可能不夠，需要對(duì)其進(jìn)行校算。本文將給出風(fēng)荷載和撞擊荷載組合下的工況進(jìn)行過程，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的基本概念和相關(guān)規(guī)范以及建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，對(duì)自適應(yīng)斜支撐進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、連接件等校算。

2.1 基本荷載

按照規(guī)范所給公式計(jì)算風(fēng)荷載計(jì)算值：

式中：ωk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；

βz——高度z處的風(fēng)振系數(shù)；

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

ω0——基本風(fēng)壓。

對(duì)于撞擊荷載，取吊裝墻板自重的20%進(jìn)行計(jì)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(jì)算

1）強(qiáng)度校算。正應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：N——所計(jì)算截面處的拉力設(shè)計(jì)值；

f ——鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

A——構(gòu)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(wěn)定性校算。λ( fy/235)1/2＝142.74，查表得φ（軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，取截面兩主軸穩(wěn)定系數(shù)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(duì)接焊縫抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）。其中，lw為焊縫長(zhǎng)度；he為對(duì)接焊縫的計(jì)算厚度（在對(duì)接連接節(jié)點(diǎn)中取連接件的較小厚度，在T形連接節(jié)點(diǎn)中取腹板的厚度）。

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

當(dāng)風(fēng)荷載與撞擊荷載組合作用在雙鋼支撐-墻體系時(shí)，直接將2種荷載疊加作用在體系上，支撐強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求。同時(shí)連接件的驗(yàn)算，包括焊接時(shí)焊縫、螺栓連接以及與墻、地處的連接板均滿足要求。

2.3 結(jié)果對(duì)比

在風(fēng)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(jù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算時(shí)沒有考慮，致使有限元模擬結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果有較大誤差，具體結(jié)果為：上支撐的有限元模擬結(jié)果為39.300 MPa，規(guī)范計(jì)算結(jié)果為45.740 MPa，誤差14.1%；下支撐的有限元模擬結(jié)果為13.190 MPa，規(guī)范計(jì)算結(jié)果為12.314 MPa，誤差6.7%。

3 結(jié)語

本文通過有限元軟件對(duì)自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)的受力進(jìn)行模擬，結(jié)果表明自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)能夠有效地工作。本文還給出了自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)的工程算例，算例表明自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)可以安全工作。自適應(yīng)斜支撐系統(tǒng)，在常見支撐的基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列改進(jìn)，在施工方面可保證安全高效、準(zhǔn)確可靠，可廣泛推廣使用。