樁基靜載試驗(yàn)錨樁反力鋼梁裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡天威, 付利卿,王宏亮

（1.甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州蘭石集團(tuán)有限公司工程研究院，甘肅 蘭州 730314）

目前，靜載試驗(yàn)被認(rèn)為是建筑基樁檢測(cè)最直接有效的方法，也是應(yīng)用最廣泛的方法之一。靜載試驗(yàn)的關(guān)鍵在于提供試驗(yàn)荷載的反力裝置，常用反力裝置有堆載反力裝置和錨樁反力鋼梁裝置。堆載反力裝置通常采用沙袋、混凝土預(yù)制塊、盛水水箱、土等重物，安裝在承重平臺(tái)上方，提供試驗(yàn)加載反力。錨樁反力鋼梁裝置通過錨樁上布置的錨筋和連接裝置約束反力梁，提供試驗(yàn)加載反力。錨樁反力鋼梁裝置運(yùn)輸和安裝較堆載反力裝置更經(jīng)濟(jì)和便捷，在條件允許時(shí)，樁基靜載試驗(yàn)多采用錨樁法。錨樁法反力裝置的規(guī)格由靜載試驗(yàn)最大加載值決定，通常采用1根或多根錨樁反力梁（后簡(jiǎn)稱反力梁）提供試驗(yàn)反力。試驗(yàn)過程中，反力梁的運(yùn)輸和安裝成為試驗(yàn)的主要工作量。在保證反力鋼梁的強(qiáng)度和剛度的前提下，反力梁自重越小，運(yùn)輸和安裝過程就會(huì)越便捷。本文通過拓?fù)鋬?yōu)化和結(jié)構(gòu)有限計(jì)算，對(duì)現(xiàn)有的反力梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以減輕重量，提高反力梁在運(yùn)輸和安裝過程中的便捷性。

1 反力鋼梁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 現(xiàn)有反力鋼梁結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有反力梁采用普通碳鋼焊接而成，結(jié)構(gòu)形式和尺寸如圖1所示，反力梁長(zhǎng)寬高分別為：8000mm×600mm×1400mm，頂面和底面鋼板厚度50mm，左右兩側(cè)鋼板和腹板厚度30mm，其余豎向和橫向的筋板厚度30mm，寬度400mm，反力梁總質(zhì)量7805kg。

圖1 現(xiàn)有反力梁結(jié)構(gòu)形式及主尺寸（單位：mm）

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算結(jié)果

1.2 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化通過計(jì)算力的傳遞路徑，可得到構(gòu)件的最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，文中采用SolidThinking Inspire軟件計(jì)算。先按反力鋼梁主尺寸創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體，作為設(shè)計(jì)區(qū)域，以得到結(jié)構(gòu)雛形。矩形底面兩側(cè)施加位移約束，中間施加向上的單位作用力，長(zhǎng)度方向添加對(duì)稱約束，如圖2-(a)所示，優(yōu)化目標(biāo)為30%體積，計(jì)算結(jié)果如圖2-(b)所示。計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)形式類似拱橋結(jié)構(gòu)，是反力梁的主要承力部分?？紤]反力梁的安裝需求，結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果再次創(chuàng)建模型，保持模型主尺寸不變，模型兩端修改為長(zhǎng)800mm，高750mm的安裝平臺(tái)，作為非設(shè)計(jì)區(qū)，其余空間為設(shè)計(jì)區(qū)域。兩端安裝平臺(tái)頂面添加位移約束，其余計(jì)算參數(shù)同上，如圖2-(c)所示，計(jì)算得到如圖2-(d)所示結(jié)構(gòu)形式，可同時(shí)滿足反力梁安裝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的要求。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于制造工藝的限制，拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)形式不能直接應(yīng)用于實(shí)際工程，需要結(jié)合反力梁的制造工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。反力梁由鋼板焊接而成，主要的承力結(jié)構(gòu)（圖3中加粗線條所示）采用厚度50mm的鋼板，其余結(jié)構(gòu)采用厚度30mm的鋼板，反力梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖3所示，長(zhǎng)8000mm，寬600mm，兩端安裝平臺(tái)高750mm，反力梁總高1400mm，布置5條豎向筋板和2條斜向筋板。為進(jìn)一步減重，通過布置不同寬度的筋板，共設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，各方案的筋板寬度見表1。通過有限元軟件分別計(jì)算三種優(yōu)化方案的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況，與反力梁現(xiàn)有方案做對(duì)比分析，確定最終的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖3 反力梁優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)形式及主尺寸（單位：mm）

表1 反力梁3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的筋板寬度尺寸

1.4 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算采用SolidWorks軟件的Simulation模塊，反力鋼梁現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案的有限元計(jì)算參數(shù)見表2。計(jì)算時(shí)，各方案模型的有限元網(wǎng)格均調(diào)至最密，反力梁頂面兩端1000mm區(qū)域施加位移約束，反力梁底面中間400mm區(qū)域施加方向向上、大小為2500kN的試驗(yàn)加載反力，如圖4所示。計(jì)算結(jié)束，分別對(duì)比4種設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量、最大等效應(yīng)力、豎向最大位移和頂面中點(diǎn)位置豎向位移。反力梁現(xiàn)有方案有限元計(jì)算結(jié)果如圖5所示，反力梁優(yōu)化方案1有限元計(jì)算結(jié)果如圖6所示，方案2和方案3計(jì)算結(jié)果不再一一列出，計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)見表3。

表2 有限元計(jì)算參數(shù)

圖4 反力鋼梁現(xiàn)有方案與優(yōu)化方案有限元計(jì)算模型

表3 優(yōu)化方案對(duì)比分析

圖5 反力鋼梁現(xiàn)有方案等效應(yīng)力云圖（左）和豎向位移云圖（右）

圖6 反力鋼梁優(yōu)化方案1等效應(yīng)力云圖（左）和豎向位移云圖（右）

1.5 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)表3可得，反力梁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案減重明顯，方案3減重最多，為1448kg，減重18.55%；最大等效應(yīng)力均顯著降低，方案1降低最多，為59.46%；豎向最大位移均有減小，方案1減小最多，為22.26%；頂面中點(diǎn)的豎向位移均有小幅增大，方案1和方案2增幅2.70%，方案3增幅6.31%。

方案1和方案2兩條斜向筋板的寬度相同，豎向筋板寬度不同，計(jì)算結(jié)果非常接近；方案2和方案3豎向筋板寬度相同，斜向筋板寬度不同，方案2的計(jì)算結(jié)果明顯優(yōu)于方案3；以上結(jié)果進(jìn)一步證明了斜向筋板為反力鋼梁的主要承力結(jié)構(gòu)，說明反力鋼梁拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案合理可行。

方案3減重最多，等效應(yīng)力和位移變形優(yōu)于或接近現(xiàn)有方案，可滿足靜載試驗(yàn)的需求，反力梁運(yùn)輸和安裝過程中的便捷性最好，是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

2 結(jié)論

基于拓?fù)鋬?yōu)化和結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，有效降低了反力鋼梁現(xiàn)有方案的重量，且優(yōu)化方案合理可靠；

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可有效指導(dǎo)檢測(cè)人員設(shè)計(jì)反力梁的結(jié)構(gòu)形式；

文中反力鋼梁的3種優(yōu)化方案均可作為樁基檢測(cè)人員設(shè)計(jì)參考依據(jù)。