超大懸挑雨篷施工過程變形仿真技術(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，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)致全國各地發(fā)生了多起雨篷坍塌事件。因此，對雨篷的結(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)的四個框架柱上。為了便于在施工過程中了解雨篷鋼結(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)雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析，同時(shí)還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。

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三個坐標(biāo)軸任意方向轉(zhuǎn)動但約束三個坐標(biāo)軸方向的位移。在雨篷的安裝過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個位移自由度[1]，如圖1所示。

2.3 雨篷安裝過程支點(diǎn)的分布

按雨篷安裝開始前，必須根據(jù)PKPM軟件對腳手架的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果滿足要求方可進(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，腳手架對雨篷的支承模擬采用點(diǎn)位約束，即不建立腳手架模型，對支承點(diǎn)位置進(jìn)行移位約束來模擬支承作用。

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→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，仿真過程分為5個工況來分析，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替代玻璃板對雨篷結(jié)構(gòu)的作用影響，見圖4。

表1 5個工況情況說明

2.5 變形仿真結(jié)果

通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，能對鋼結(jié)構(gòu)雨篷施工過程中位移變化進(jìn)行模擬及預(yù)測，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)對超大懸挑鋼結(jié)構(gòu)雨篷施工過程變形監(jiān)控進(jìn)行仿真模擬，可清楚了解施工過程中鋼結(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，較少施工過程中的返工及現(xiàn)場試驗(yàn)操作，節(jié)約施工成本，同時(shí)也能為類似的工程提供有效的參考。