有限元計(jì)算軟件用于鋼管支架驗(yàn)算的適用性分析

郭金雙

摘要：目前國內(nèi)建筑行業(yè)施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算形式主要有有限元計(jì)算和規(guī)范計(jì)算。施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)中，由鋼管扣件式腳手架、碗扣式腳手架及承插式腳手架搭設(shè)而成的臨時(shí)結(jié)構(gòu)占很大一部分，本文通過比較論證由成品鋼管支架搭設(shè)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)可采用有限元計(jì)算軟件驗(yàn)算的情況。

Abstract： At present， the verification forms of temporary structures for construction in the construction industry of China mainly include finite element calculations and standard calculations. Temporary structures constructed by steel pipe fastener scaffolding， bowl buckle scaffolding， and socket-type scaffolding account for a large part of temporary structures during construction. This paper compares and demonstrates that the temporary structure erected by finished steel pipe supports can use finite element calculation software for verification.

關(guān)鍵詞：有限元計(jì)算軟件;規(guī)范驗(yàn)算;鋼管支架

Key words： finite element calculation software;normative check calculation;steel tube bracket

中圖分類號(hào)：TU511.3+7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）05-0277-03

1? 概述

鋼管式支架是目前國內(nèi)建筑行業(yè)臨時(shí)結(jié)構(gòu)普遍采用的搭設(shè)材料。這里所說的鋼管支架包括鋼管扣件式腳手架、碗扣式鋼管腳手架以及承插型盤扣式鋼管支架等工廠定型生產(chǎn)的且有專門的應(yīng)用規(guī)范的一類支架。這類支架廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)的模板支架、施工腳手架等臨時(shí)結(jié)構(gòu)。為了保證臨時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性穩(wěn)定性，由鋼管支架搭設(shè)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)必須經(jīng)過結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，確保滿足要求后才能在施工現(xiàn)場實(shí)施;因此鋼管支架的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算尤為重要。

目前在施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算上，主要有兩種驗(yàn)算方式，規(guī)范驗(yàn)算和有限元驗(yàn)算。規(guī)范驗(yàn)算是指按照相關(guān)規(guī)范列出的計(jì)算項(xiàng)目及計(jì)算要求對(duì)施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，規(guī)范驗(yàn)算可以采用手算也可采用計(jì)算軟件計(jì)算;規(guī)范驗(yàn)算是遵循固定的模型結(jié)構(gòu)，遇到一些特殊結(jié)構(gòu)，規(guī)范驗(yàn)算往往不能滿足要求。施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的有限元驗(yàn)算一般采用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行，如，Midas Civil，Midas GTS等，進(jìn)行有限元計(jì)算的軟件具有普適性，沒有專門針對(duì)施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算軟件，但是有限元計(jì)算軟件一般采用三維建模的方式，理論上能夠驗(yàn)算各種形式的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，在計(jì)算結(jié)果的輸出直觀性，計(jì)算模型的適用性要明顯好于規(guī)范驗(yàn)算。

2? 鋼管支架臨時(shí)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算

如前文所述，施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算方式目前采用的有規(guī)范驗(yàn)算和有限元驗(yàn)算。這兩種方式的驗(yàn)算內(nèi)容各不相同，在某些程度上影響驗(yàn)算結(jié)果;編制的施工方案應(yīng)首先滿足相關(guān)規(guī)范的要求，包括方案要求的驗(yàn)算內(nèi)容，對(duì)驗(yàn)算結(jié)果的要求等。因此，我們施工計(jì)算人員在對(duì)鋼管支架搭設(shè)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，尤其是涉及到危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程時(shí)，應(yīng)慎重選擇驗(yàn)算方式。本文以青島市地鐵13號(hào)線七工區(qū)大珠山連續(xù)梁模板支架為例，論述在鋼管支架臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，什么情況下必須采用規(guī)范驗(yàn)算，什么情況下可以采用有限元驗(yàn)算。

2.1 不適用有限元計(jì)算的情況

本文所提到的三種常用的鋼管支架都有對(duì)應(yīng)的應(yīng)用規(guī)范，分別是，《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130-2011）、《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 166-2016）以及《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》（JGJ231-2010）。鋼管支架在建筑工程施工中常用于施工腳手架、模板支架臨時(shí)結(jié)構(gòu)，而相對(duì)應(yīng)的技術(shù)規(guī)范對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算內(nèi)容都有詳細(xì)的要求。以模板支架為例。

對(duì)模板板支架的穩(wěn)定性驗(yàn)算，根據(jù)規(guī)范要求是驗(yàn)算模板支架的壓桿穩(wěn)定性，采用公式如下：

式中，N是立桿軸向受力值，A是立桿桿件的斷面面積，f是立桿所用材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，這幾個(gè)值的取值與采用有限元計(jì)算時(shí)的取值一樣;但是公式中一個(gè)較為重要的系數(shù)—軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)？漬的取值完全不同，這一系數(shù)需根據(jù)立桿的計(jì)算長度與回轉(zhuǎn)半徑的比值即長細(xì)比根據(jù)規(guī)范中附錄D中的表格來查表確定，而其中立桿的計(jì)算長度，又需要根據(jù)立桿步距進(jìn)行修正。規(guī)范中的附錄D中穩(wěn)定系系數(shù)的取值以及立桿計(jì)算長度的修正系數(shù)都是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，是通過實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用情況總結(jié)出來的，采用有限元計(jì)算軟件不可能將這些系數(shù)準(zhǔn)確模擬。下面舉例說明，同一種結(jié)構(gòu)采用規(guī)范驗(yàn)算和采用有限元計(jì)算存在的區(qū)別。

2.1.1 兩種計(jì)算方式的驗(yàn)算比較

青島市地鐵13號(hào)線七工區(qū)大珠山連續(xù)梁模板支架采用承插型盤扣式鋼管支架搭設(shè)模板支架，模板支架立桿高度是6.0米，立桿間距是1.2米，橫桿步距是1.5米，斜桿布設(shè)按規(guī)范要求布置;桿件采用截面直徑為48mm，壁厚3.2mm。根據(jù)這些參數(shù)，分別采用規(guī)范計(jì)算及有限元計(jì)算確定立桿的受力情況（不考慮風(fēng)荷載）。

2.1.1.1 規(guī)范計(jì)算

根據(jù)對(duì)應(yīng)的規(guī)范，對(duì)模板支架的壓桿穩(wěn)定性做如下計(jì)算：

①支架立桿計(jì)算長度確定。

式中l(wèi)0表示立桿驗(yàn)算長度;？濁計(jì)算長度修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范，這里取1.2;h為橫桿最大步距，為1.5m。

可得計(jì)算長度l0=1.8m。

②立桿長細(xì)比計(jì)算。

式中i表示立桿截面的慣性半徑，根據(jù)規(guī)范附錄C查得，i=1.59cm。

計(jì)算得？姿=113.2<150（規(guī)范5.1.9條要求）

③軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)確定。

軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性系數(shù)由長細(xì)比查表得？漬值為0.496。

④立桿軸向力最大設(shè)計(jì)值N計(jì)算。

式中，A為立桿的截面積，為4.5cm2，f為鋼材的強(qiáng)度，這里采用Q235鋼，強(qiáng)度值為205N/mm2。

因此計(jì)算可知，N最大設(shè)計(jì)值為45756N。

2.1.1.2 有限元軟件計(jì)算

由于有限元計(jì)算軟件較多，這里采用常用的驗(yàn)算施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算軟件Midas Civil進(jìn)行驗(yàn)算，建立模板支架的模型如圖1。

模型的建立應(yīng)盡量真實(shí)的模擬鋼管支架的情況，桿件節(jié)點(diǎn)的傳力應(yīng)盡量真實(shí)反映實(shí)際連接情況。因此，對(duì)水平桿件、斜桿與水平桿件交點(diǎn)位置應(yīng)進(jìn)行真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度模擬，根據(jù)《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（JGJ300-2013）承插式支撐結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)傳動(dòng)剛度為20kN·mrad。

對(duì)每根立桿施加節(jié)點(diǎn)荷載值45.756kN。查看立桿應(yīng)力結(jié)果如圖2。

由計(jì)算結(jié)果可知，立桿的最大組合應(yīng)力是175.5MPa，計(jì)算結(jié)果小于遠(yuǎn)小于由規(guī)范計(jì)算得到的205MPa的應(yīng)力值。

2.1.2 小結(jié)

根據(jù)以上結(jié)果對(duì)比可知，將規(guī)范驗(yàn)算中立桿穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果對(duì)比有限元計(jì)算得出的梁單元組合應(yīng)力時(shí)，兩者差距較大，有限元計(jì)算的結(jié)果小于規(guī)范驗(yàn)算得出的結(jié)果，規(guī)范驗(yàn)算相對(duì)于有限元驗(yàn)算保守，如果將有限元計(jì)算得到的組合應(yīng)力除以壓桿穩(wěn)定性系數(shù)，那么得到的應(yīng)力值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范驗(yàn)算得到的數(shù)值，有限元驗(yàn)算又相對(duì)于規(guī)范驗(yàn)算保守。若將兩者計(jì)算方法的穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行比較則不具備可比性，有限元軟件計(jì)算穩(wěn)定性是通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，而鋼管支架以及其他施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的規(guī)范并沒有關(guān)于屈曲分析中第一階模態(tài)值允許值范圍。

綜上所述，當(dāng)鋼管支架組成的施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的形式與對(duì)應(yīng)規(guī)范中所列的驗(yàn)算模型一致時(shí)，應(yīng)采用規(guī)范驗(yàn)算而不應(yīng)采用有限元計(jì)算。

2.2 適用有限元計(jì)算的情況

2.2.1 采用有限元計(jì)算對(duì)規(guī)范驗(yàn)算進(jìn)行復(fù)核

對(duì)鋼管支架搭設(shè)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)符合規(guī)范假定的計(jì)算模型時(shí)采用規(guī)范計(jì)算的方式對(duì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，同時(shí)可輔助于有限元驗(yàn)算，用于驗(yàn)算臨時(shí)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性以及驗(yàn)算是否存在個(gè)別節(jié)點(diǎn)超出允許范圍。規(guī)范驗(yàn)算模型是二維模型，無法驗(yàn)算與驗(yàn)算單元有關(guān)聯(lián)的其他單元對(duì)其的影響;實(shí)際作用中，由于結(jié)構(gòu)單元存在結(jié)構(gòu)變形等原因必定會(huì)使各個(gè)結(jié)構(gòu)單元相互影響。

例如，2.1.1節(jié)中提到的驗(yàn)算實(shí)例中，可首先采用規(guī)范對(duì)模板支架進(jìn)行驗(yàn)算，然后采用有限元軟件建立三維模型，對(duì)模板支架的結(jié)構(gòu)單元受力情況進(jìn)行驗(yàn)算，通過屈曲分析，來驗(yàn)算整個(gè)體系的彈性穩(wěn)定性。

2.2.2 特殊結(jié)構(gòu)形式的模板支架采用有限元計(jì)算

當(dāng)模板支架體系不符合規(guī)范所假定的計(jì)算模型或模板支架體系中含有特殊結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用有限元驗(yàn)算對(duì)模板支架體系進(jìn)行驗(yàn)算。

如坡屋面結(jié)構(gòu)，規(guī)范驗(yàn)算中假定的計(jì)算模型是平面，對(duì)于這種傾斜平面結(jié)構(gòu)的模板支架，需采用三維有限元模型對(duì)其可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

青島市地鐵13號(hào)線七工區(qū)大珠山連續(xù)梁模板支架體系中含有門洞結(jié)構(gòu)的支架，可建立三維有限元模型對(duì)門洞的可靠性進(jìn)行驗(yàn)算。

3? 總結(jié)

綜上所述，有限元計(jì)算應(yīng)有限的應(yīng)用于模板支架的驗(yàn)算中，當(dāng)有限元計(jì)算應(yīng)用于模板支架的驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）中的要求。

另外，有限元計(jì)算有規(guī)范驗(yàn)算不可替代的優(yōu)點(diǎn)，如，適用性強(qiáng)、輸出結(jié)果直觀明了等，建議我們的規(guī)范編制部門能夠在對(duì)應(yīng)的規(guī)范中將有限元計(jì)算的要求進(jìn)行明確;如果采用有限元計(jì)算，需驗(yàn)算哪些內(nèi)容以及對(duì)驗(yàn)算結(jié)果的要求如何。

參考文獻(xiàn)：

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