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        施工臨時(shí)支架鋼結(jié)構(gòu)高等分析設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

        2018-04-25 06:28:39秦大燕羅小斌
        西部交通科技 2018年1期
        關(guān)鍵詞:屈曲立柱鋼結(jié)構(gòu)

        秦大燕,羅小斌,韓 玉

        (廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530011)

        施工臨時(shí)支架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)(下文簡(jiǎn)稱《鋼規(guī)》)采用一階彈性結(jié)構(gòu)分析的設(shè)計(jì)方法,通過構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)來考慮結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,無法直接計(jì)算出結(jié)構(gòu)的極限承載力。高等分析設(shè)計(jì)法是目前國際上最為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,如歐洲、澳大利亞、香港的設(shè)計(jì)規(guī)范中均有相應(yīng)條文[1],修訂中的《鋼規(guī)》也納入了該方法。高等分析設(shè)計(jì)法的實(shí)質(zhì)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)的二階彈塑性全過程分析,比較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)從開始加載到破壞全過程的內(nèi)力和變形狀態(tài),一次計(jì)算分析就可以完成鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的分析信息[2](如材料彈塑性、結(jié)構(gòu)整體幾何缺陷等),直接計(jì)算得出結(jié)構(gòu)的極限承載力和荷載位移曲線等結(jié)果,免除構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度的概念,減掉構(gòu)件驗(yàn)算步驟,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程,提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。本文以紅水河特大橋頂推臨時(shí)墩鋼結(jié)構(gòu)為例,進(jìn)行極限承載力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì),為臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)高等分析設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

        1 頂推臨時(shí)墩簡(jiǎn)介

        貴州惠羅高速公路紅水河特大橋是一座主跨508 m的大跨徑斜拉橋;其中貴州岸邊跨長(zhǎng)213 m,采用多點(diǎn)連續(xù)頂推施工。頂推臨時(shí)墩為裝配式鋼結(jié)構(gòu),最大高度達(dá)到76 m,其整體側(cè)移剛度相對(duì)弱,非線性效應(yīng)顯著;立柱采用φ610×12 mm鋼管,腹桿采用φ219×6 mm、φ168×5 mm鋼管及萬能桿件(腹桿布置方案一為滿布,方案二是豎向間隔布置),材質(zhì)為Q345。

        2 分析模型建立

        常用的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件(如Midas、SAP2000)進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性分析時(shí),梁?jiǎn)卧P偷乃苄孕?yīng)分析采用近似塑性鉸法,不考慮沿構(gòu)件長(zhǎng)度和截面高度方向的塑性擴(kuò)展;在進(jìn)行結(jié)構(gòu)二階分析時(shí)無法考慮材料塑性效應(yīng),無法實(shí)現(xiàn)高等分析的設(shè)計(jì)方法。目前具有二階彈塑性分析功能的通用有限元軟件(如ANSYS、ABAQUS)才能實(shí)現(xiàn)高等分析。

        2.1 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

        ABAQUS CAE軟件的建模功能十分強(qiáng)大,但建立復(fù)雜桿系空間模型時(shí)比較困難,數(shù)據(jù)文件采用.inp格式。Midas軟件在建立復(fù)雜桿系結(jié)構(gòu)模型時(shí)則表現(xiàn)出色。采用Midas軟件建立分析模型,并用Excel VBA編制模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序,將Midas軟件模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成.inp格式數(shù)據(jù)文件,實(shí)現(xiàn)在ABAQUS軟件中快速建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型。

        Midas軟件中的梁?jiǎn)卧孛娣较蚴怯忙陆莵砻枋龅模鳤BAQUS中梁?jiǎn)卧孛娣较蚴怯脵M截面1軸的方向向量來描述的,需要用羅德里格向量旋轉(zhuǎn)公式將β角轉(zhuǎn)換成橫截面1軸方向向量。

        2.2 單元類型選擇

        ABAQUS軟件中的2節(jié)點(diǎn)6自由度空間梁?jiǎn)卧蠦31和B33。B31為一次單元,只有一個(gè)積分點(diǎn),考慮剪切變形的影響;B33為三次單元,有三個(gè)積分點(diǎn),不考慮剪切變形的影響。在非線性分析中,一次單元更容易計(jì)算收斂,所以在臨時(shí)墩分析中,單元均采用B31類型梁?jiǎn)卧?,單根?gòu)件劃分的單元數(shù)量為8個(gè)。立柱偏心連接牛腿節(jié)點(diǎn)用剛臂模擬,也采用B31梁?jiǎn)卧?,但不進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑⑵鋭偠确糯?0 000倍,以此近似考慮剛性連接效果。腹桿系與立柱的連接均為鉸接,將其梁端的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度釋放,柱腳為固結(jié)位移邊界約束。其分析模型如圖1所示。

        圖1 分析模型示意圖

        2.3 荷載

        臨時(shí)墩分析中荷載及荷載組合分兩種,工況1:在柱頂每根立柱鋼管上加載其值為強(qiáng)度極限承載力的荷載,單根φ610×12 mm鋼管的軸心受壓強(qiáng)度極限承載力為7.78×103kN,高等分析得出的極限荷載系數(shù)即為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定折減系數(shù);工況2:按實(shí)際的結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、頂推對(duì)臨時(shí)墩的豎向力和沿頂推方向的水平力等荷載標(biāo)準(zhǔn)值的組合,高等分析得出的極限荷載系數(shù)即為安全系數(shù)。理論上,多點(diǎn)頂推的每個(gè)頂推點(diǎn)的頂推力和摩擦力是平衡的,但頂推力同步控制是復(fù)雜的,難免會(huì)對(duì)臨時(shí)墩產(chǎn)生水平推力,所以分析時(shí)考慮一定的水平力,其取值為豎向力的3%。

        3 初始缺陷及數(shù)據(jù)處理

        考慮初始缺陷的方法主要有三種:缺陷直接模擬法、假想水平力法、降低切線模量法[3]。缺陷直接模擬法是在分析模型中直接引入幾何缺陷值,概念上更為直觀,易于理解,更容易與結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量聯(lián)系起來。

        3.1 缺陷標(biāo)準(zhǔn)值

        頂推臨時(shí)墩為支架結(jié)構(gòu),通常只考慮結(jié)構(gòu)整體傾斜和構(gòu)件的初始彎曲缺陷(圖2),而構(gòu)件截面殘余應(yīng)力考慮在構(gòu)件初始彎曲缺陷值中。正在修訂的《鋼規(guī)》對(duì)框架結(jié)構(gòu)的初始缺陷規(guī)定如下:結(jié)構(gòu)整體傾斜缺陷代表值Δ0為1/250結(jié)構(gòu)高度,臨時(shí)支墩支撐層的約束效應(yīng)不及建筑框架結(jié)構(gòu),可以不考慮結(jié)構(gòu)層數(shù)的修正;彎曲缺陷代表值e0為1/350構(gòu)件長(zhǎng)度(b類截面構(gòu)件)[4]。

        圖2 框架結(jié)構(gòu)初始缺陷圖

        3.2 構(gòu)件彎曲缺陷數(shù)據(jù)

        ABAQUS軟件中模型初始幾何缺陷的數(shù)據(jù)引入主要有兩種方式:(1)通過屈曲模態(tài)乘上缺陷代表值,即一致缺陷法,但無法引入規(guī)范規(guī)定的構(gòu)件彎曲缺陷;(2)直接引入節(jié)點(diǎn)偏位值,通過對(duì)構(gòu)件施加等效均布荷載進(jìn)行一階彈性分析計(jì)算得到(即約束所有構(gòu)件節(jié)點(diǎn)位移,釋放兩端的旋轉(zhuǎn)自由度,將計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)位移作為構(gòu)件的彎曲缺陷,見圖3)。

        圖3 構(gòu)件初始彎曲缺陷圖

        3.3 結(jié)構(gòu)整體缺陷數(shù)據(jù)

        在構(gòu)件彎曲缺陷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,組合上結(jié)構(gòu)整體傾斜缺陷數(shù)據(jù),即將節(jié)點(diǎn)的高度值乘以1/250結(jié)構(gòu)高度。整體結(jié)構(gòu)傾斜缺陷的分布方向與立柱構(gòu)件彎曲缺陷分布方向的組合,以及與側(cè)向荷載方向的組合對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件極限承載力有影響,分析時(shí)應(yīng)加以考慮。通常結(jié)構(gòu)整體缺陷方向與低階屈曲模態(tài)一致時(shí)結(jié)構(gòu)的極限承載力最小。

        4 線性屈曲分析及結(jié)果

        4.1 線性屈曲分析的意義

        由于線性屈曲分析沒有考慮結(jié)構(gòu)大變形幾何非線性、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的初始缺陷以及構(gòu)件的塑性效應(yīng)的影響,因此線性屈曲臨界荷載是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的上限,僅可作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的參考[5]。通常情況下,結(jié)構(gòu)初始幾何缺陷分布模態(tài)與低階屈曲模態(tài)一致時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響是“很不利”的[6]。所以,線彈性屈曲分析的模態(tài)結(jié)果可用于結(jié)構(gòu)高等分析時(shí)缺陷引入的依據(jù)或用于確定規(guī)范缺陷值的分布方向。

        4.2 線性屈曲分析的結(jié)果

        將線性屈曲分析得到的臨界荷載系數(shù)乘以立柱構(gòu)件的軸力得出其臨界荷載,再通過歐拉公式來反算立柱計(jì)算長(zhǎng)度,以此計(jì)算立柱構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù),并按壓彎構(gòu)件對(duì)立柱構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算,分析結(jié)果見表1。

        表1 線性屈曲分析結(jié)果表

        5 高等分析結(jié)果

        高等分析最直接的結(jié)果為荷載位移曲線,其曲線的極值點(diǎn)即為結(jié)構(gòu)的極限承載力。通常情況,結(jié)構(gòu)中“破壞”構(gòu)件為對(duì)缺陷“敏感”的構(gòu)件,則容易求解出荷載位移曲線的下降段,如果“破壞”構(gòu)件為短柱,則很難讓曲線越過極值點(diǎn)進(jìn)入下降段,還有可能出現(xiàn)曲線原路返回的“回飄”現(xiàn)象,所以應(yīng)對(duì)荷載位移曲線的合理性仔細(xì)研究,并結(jié)合結(jié)構(gòu)中“破壞”的構(gòu)件進(jìn)行合理評(píng)判。

        5.1 方案一的分析結(jié)果

        方案一高等分析的荷載位移曲線如圖4~5所示,結(jié)構(gòu)中“破壞”的構(gòu)件均為靠近柱腳的立柱構(gòu)件,其中N489為較矮側(cè)塔頂節(jié)點(diǎn),N492為較高側(cè)塔頂節(jié)點(diǎn)。臨時(shí)墩方案1荷載組合工況1高等分析的極限荷載系數(shù)為0.687,與用線性屈曲分析結(jié)果按計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)0.68基本吻合。荷載組合工況2高等分析的極限荷載系數(shù)為2.809,其安全系數(shù)是>2的。

        圖4 方案1荷載組合工況1荷載位移曲線圖

        圖5 方案1荷載組合工況2荷載位移曲線圖

        5.2 方案二的分析結(jié)果

        方案二高等分析的荷載位移曲線如圖6~7所示,結(jié)構(gòu)中“破壞”的構(gòu)件均為靠近柱腳的立柱構(gòu)件,其中N485為較矮側(cè)塔頂節(jié)點(diǎn),N488為較高側(cè)塔頂節(jié)點(diǎn),實(shí)際上沿Y軸方向的位移為負(fù)值,但為了方便與方案1的曲線比較,所以將位移值取了絕對(duì)值。臨時(shí)墩方案2荷載組合工況1高等分析的極限荷載系數(shù)為0.629,與用線性屈曲分析結(jié)果按計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)0.633基本吻合,相較方案1極限承載力下降了8.4%。荷載組合工況2高等分析的極限荷載系數(shù)為2.708,相較方案1極限承載力僅下降了3.6%,安全系數(shù)還是>2的,是滿足頂推受力要求的。荷載組合工況2荷載系數(shù)為1時(shí),臨時(shí)墩的墩頂水平位移達(dá)到了400 mm,豎向位移40 mm,實(shí)際施工時(shí)臨時(shí)墩還設(shè)置了縱向拉索,以控制墩頂位移。

        圖6 方案2荷載組合工況1荷載位移曲線圖

        圖7 方案2荷載組合工況2荷載位移曲線圖

        6 結(jié)語

        本文結(jié)合正在修訂的《鋼規(guī)》,以頂推臨時(shí)支墩為例進(jìn)行了利用ABAQUS軟件進(jìn)行高等分析設(shè)計(jì),解決了模型建立、缺陷標(biāo)準(zhǔn)值、缺陷數(shù)據(jù)處理、二階彈塑性分析等過程中的一些難點(diǎn),并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,

        得出高等分析的極限承載力系數(shù)與按線性屈曲分析確定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)是基本吻合的結(jié)論,并對(duì)頂推臨時(shí)支墩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        [1]鄭廷銀.鋼結(jié)構(gòu)高等分析理論與實(shí)用計(jì)算[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

        [2]劉 堅(jiān).鋼結(jié)構(gòu)高等分析的二階非彈性理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

        [3]金 路,等.鋼框架高等分析中初始幾何缺陷的考慮方法[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2010,12(3):19-26.

        [4]GB 50017-201X,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范報(bào)批稿[S].

        [5]羅永峰,等.建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2010.

        [6]鄧長(zhǎng)根,徐忠根.缺陷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的一致缺陷模態(tài)近似法[J].鋼結(jié)構(gòu),2012(增刊):209-216.

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