大跨度悬挑梁脚手架有限元分析

大跨度悬挑梁脚手架有限元分析

徐亮

南通四建集团有限公司 江苏南通 226000

摘要:近年来,越来越多各种造型独特的非常规悬架建筑被广泛设计和建造使用.为有效保证悬架结构的移动稳定安全,利用一个abaqus生死有限元模拟软件,对某悬架主挑结构长度大约为15.6m的大型车间建筑悬挑梁,进行生死有限元法的模拟.此车间悬挑的主梁结构为大型预应力车间混凝土主体结构,模拟车间混凝土主体浇筑结构成型的施工过程,并分别采用车间生死模拟单元法,实现有限元法对梁施工拆模及车间支撑体系的施工拆卸安装过程的自动模拟。

关键词:悬挑;限元应力;结构有限元应力模拟;

1工程概况

悬挑结构支架支撑结构的用途主要是对悬挑支架上的水平支撑模板进行承托的同时可以用来承担悬挑支架结构的自重以及悬挑支架上承楼房屋面板的多余荷载。悬挑结构支架支撑结构并无多余荷载约束悬挑形式结构单一,端部弯矩,剪力和模板横向运动挠度与其它建筑的常规框架悬挑支撑结构框架形式的相关性比较大,且在主梁下部的脚手架、模板可以用来作为临时性支架支撑体系,其支架模板铰的形状、寿命等均极有可能会伴随跨度改变其他建筑结构主体框架结构而有较大改变,具有较大品种性和多样性.

1.1单元选取

使用两个abaqus两个有限元结构软件可以对板式悬挑桁架结构单元进行整体稳定性性能分析和结构变形特性分析.根据模拟设计图纸的尺寸,在两个autocad结构软件三维模式中,混凝土梁分别使用两个实体结构单元,底支架模板结构采用的是面薄壳单元,钢筋及板式脚手架分别选择两个线性体单元进行建立,随后分别导入两个abaqus结构软件中.在两个有限元结构软件中,采用两个实体结构单元进行定义挂挑悬梁臂的使用混凝土衍架结构,悬梁臂的使用底膜模板采用面薄壳结构单元,盘扣式大型手脚架和梁中使用钢筋分别采用两个线性体单元进行定义结构。衍架混凝土在大型网格衍架划分结构模拟中首先选择八个六结点作为线性六面体结构单元,再选择两个八结点作为线性三维衍架结构单元进行分析。采用线性计算空间通过梁架对单元受力分析进行计算。

1.2材料本构关系

悬臂梁主体主要采用C40混凝土,钢筋为HRB400.支撑体系为盘扣式脚手架,采用Q345B圆管钢,悬挑梁底模用木板作材料.

2.ABAQUS有限元模型建立

悬臂梁水平弧线的长为15.6米,悬挑梁的水平弧线长度15.5米,弧度约设定为5°,盘扣式悬臂脚手架弧形立杆悬臂横向平行间距900毫米,纵向平行间距600毫米,悬臂梁下共三排弧形立杆.为了保证悬臂模拟桁架传动受力施工过程与实际桁架施工传力过程比较相近,除了三排扣式脚手架外,在两侧各加建一排弧形的立杆,以1/5倍的距离在三排脚手架两侧均加一排弧形立杆,以三排立杆为它的基础。顶端各处的端点均为悬臂底架顶模壳块各个单元间的顶点,建立立杆悬臂梁底悬臂模板.立杆悬臂梁支架采用钢筋分离式悬臂模型方法建立,把它们作为连接的整体,嵌入钢筋混凝土内,钢筋壳块作为连接线段和单元,充分的考虑整体混凝土和整体钢筋之间的反向粘结力和滑移.底模壳块木板与支架悬臂梁底部没有接触的部分杆底的底部进行完全固定的网格约束,为了能对一个计算准确的固定网格尺寸进行测量分析规整,悬臂梁的固定网格全部约束尺寸一般是0.1毫米。

3.悬臂梁拆模

为了实现从开始施工到正常拆模使用的一个过渡,需要初步的模拟梁逐渐拆模的具体过程.悬臂梁是一种静定型钢结构,其承重力主要就是起控制运动的作用,主要由上部受力钢筋直接配置于主体上部的结构,要从悬臂梁的主体末端开始即自由嵌固点向它顶端嵌固点逐渐分离的阶段逐渐进行拆模,最好符合悬臂梁的具体工作原理状态.在软件中,定义类型改变,使选择区域单元无效,并在分析阶段向下阶段传播,实现了拆模过程的模拟。具体情况下,可以进行拆模。按拟定的拆模计划,将脚架和梁底模悬架分四个拆模阶段,第四个拆模阶段的悬架拆模已经竣工,悬挑主体结构已基本达到拆模完成.

3.1悬臂梁有限元结果分析

颜色浅色表即钢筋应力测量分布的变化情况,悬挑梁顶端钢筋上的应力分布大于挂臂悬挂挂挑端和梁的横跨,其中钢筋应力最大为0.59mpa,钢筋应力在特殊弹性材料变形处理阶段应力为0.59mpa,混凝土钢筋应力最大测量值为大于悬臂梁端,最大钢筋应力为0.084mpa,悬挂挂挑梁下三排立杆脚手架上的立杆及其底端钢筋应力较大,其中最高值为悬挂挂挑梁截面下的三排立杆。底端的物体应力强度是最大的,应力公式是.43mpa。计算的试验结果主要是用脚悬挑梁在建筑施工工程完成时框架钢筋和墙体混凝土都必须处于稳定弹性运动状态,脚手架的主要具有承重支撑功能也就是稳定框架结构.

4结论

利用软件abaqus施工有限元拆型软件模拟分析大中小跨度支架悬臂悬挑主梁,按开始施工和准备拆模顺序计算,分两个阶段依次进行施工模拟,模拟计算完成大型混凝土支架施工开始阶段中在脚手架拆模系统中的应力强度分布计算情况.结合使用施工有限元拆模软件的各个生死计算单位,模拟完成脚手架及其他混凝土施工模具的整体拆模施工过程,从成为施工开始阶段拆模转变到成为准备工作拆模阶段,计算完成脚手架与跨度悬挑主梁结构的横向垂直力和挠力。度和量与应力的对比分布,可以直接得出上述如下两个结论:

(1)施工主梁支架浇筑阶段竣工设计阶段,主梁柱横截面最大最高处应力为主梁脚手架支柱立杆上的应力,沿主梁悬挑线的方向,随着支架梁柱横截面的增大变小,立杆上的应力逐渐得到减少.

(2)方法可根据云图abaqus立杆应力检测云图分析得出,脚手架的每排每个立杆底部的支架应力大小是最大的,立杆的端顶和中部的立杆应力大小是最大的,实际计算施工时间还可在每个悬挑架的固定端面上选置每排立杆的上端、中部和立杆底端三个自动应变仪,实时对立杆应力的大小变化情况进行自动监测.

(3)第一悬挑悬臂梁立杆脚手架拆模分为三阶段继续拆模,每一第三阶段的最外一个立杆拉伸应力为86.51mpa,随着立杆脚手架继续拆除,第二第三阶段的第一悬臂梁拆模钢筋拉伸应力显著程度增加,达到86.51mpa,拆模钢筋完成后的钢筋拉伸应力强度达到最高值149mpa,未可能超过拆模钢筋横向拉伸应力强度的最高设计值,仍可能处于第一悬臂梁第二,第三阶段的钢筋应力。

(4)abaqus模拟的悬端和挑端竖向垂直挠度典型模拟的数值在跨度规范条件允许的任何情况下均为挑端竖向挠度典型模拟,大部分跨度模型悬挑端的结构稳定可靠。

(5)这次刚性计算方式模拟中对于脚手架的刚性测试主要使用了多个横梁刚性连接控制单元,各杆之间的横梁连接单元默认节点刚性为多个节点横向刚性进行连接,实际上计算是盘式卡扣式连接模拟然而脚手架测试使用多个杆件杆作为节点刚性进行铰接,模拟中节点刚性杆的连接不会大大限制杆的横向转动,脚手架的节点横向刚性传动控制能力与其在整体框架结构上的刚性变化不会出现有很大幅的区别,未来我们估计可以根据综合因素考虑再进行缩小释放出每个传动节点的横向转动量和自由度,精化后的这次计算可以模拟测试结果。

参考文献：

〔1〕还文超.大跨度悬挑混凝土桁架结构施工模拟及监测技术[D].苏州科技大学， 016.

〔2〕李伟，张家树，关群.超大跨度悬挑梁设计与施工关键技术研究[J].安徽建筑大学学报， 01 （ 0）： 9-31.

〔3〕文铁军，曾青，唐竹影.大跨度空间钢结构桁架有限元分析[J].固体力学学报， 008（1 ）：141-145.

〔4〕杨武勇，李卫.大跨度悬挑混凝土桁架结构施工模拟及监测技术[J].施工技术， 018（47）：17- 0.

〔5〕李清超，徐晓晖，陈刚，邵先.136m高空悬挑钢平台有限元分析及监测技术应用[J].施工技术， 017（46）：137-140.