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        H型鋼梁外掛PC板偏心受力變形對(duì)外墻垂直平整度的影響分析與糾偏約束方法的研究

        2022-06-09 09:42:30姜超郭遠(yuǎn)遠(yuǎn)馬廣生孫振標(biāo)夏文之
        安徽建筑 2022年5期
        關(guān)鍵詞:方向有限元分析

        姜超,郭遠(yuǎn)遠(yuǎn),馬廣生,孫振標(biāo),夏文之

        (中建八局第一建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南 250100)

        1 研究背景

        1.1 設(shè)計(jì)概況

        本工程外墻設(shè)計(jì)為H型鋼梁偏心受力外掛PC板,H型鋼梁的支座剛接與鋼骨混凝土柱上,如圖1所示。

        圖1 H型鋼梁與PC掛板關(guān)系三維圖

        1.2 可能對(duì)外墻PC掛板垂直度、平整度和豎縫大小的影響

        由于H型鋼梁偏心受力或受本體剛度的影響會(huì)產(chǎn)生各種位移,而H型鋼梁本體的各種位移一定會(huì)影響外墻PC掛板的接縫大小、垂直度、平整度,對(duì)建筑工程尺寸允許偏差項(xiàng)和外觀質(zhì)量有較大的影響。

        2 H型鋼梁偏心受力變形計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

        2.1 理論計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

        2.1.1 理論計(jì)算

        ①工況一

        根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)圖分析,鋼梁兩端約束簡(jiǎn)化為剛接點(diǎn),其受力情況如圖2所示。

        圖2 鋼梁撓度變形理論計(jì)算簡(jiǎn)圖(L=14.6m)

        已知:鋼梁長(zhǎng)14.6m,鋼梁規(guī)格:H700×300×14×25;材質(zhì):Q355;鋼梁上外掛6塊預(yù)制掛板,每塊長(zhǎng)2420mm,掛板間間隙20mm,每塊重 1.33t,總重1.33×6=7.98t;荷 載 :鋼 梁 自 重 荷 載1.89kN/m,掛板荷載簡(jiǎn)化為線型均布荷載 5.50kN/m;鋼梁截面特性:I=20.30×10^4cm^4,E=2.1×10^5MPa。

        求:梁跨中撓度變形最大值:

        計(jì)算式

        ②工況二

        根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)圖分析,鋼梁兩端約束簡(jiǎn)化為剛接點(diǎn),其受力情況如圖3所示。

        圖3 鋼梁撓度變形理論計(jì)算簡(jiǎn)圖(L=14.6m)

        已知:鋼梁長(zhǎng)14.6m,鋼梁規(guī)格:H700×300×14×25;材質(zhì):Q355;鋼梁上外掛6塊預(yù)制掛板,每塊長(zhǎng)2420mm,掛板間間隙 20mm,每塊重 1.33×1.45(安 全 系 數(shù))=1.93t,總 重 1.93×6=11.58t;荷載:鋼梁自重荷載1.89kN/m,掛板荷載簡(jiǎn)化為線型均布 5.50×1.45=7.98kN/m;鋼梁截面特性:I=20.30×10^4cm^4,E=2.1×10^5MPa。

        求:梁跨中撓度變形最大值:

        計(jì)算式:

        Ymax=ql^4/(384EI)=2.74mm

        ③工況三

        根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)圖分析,鋼梁兩端約束簡(jiǎn)化為剛接點(diǎn),其受力情況如圖4所示。

        圖4 鋼梁撓度變形理論計(jì)算簡(jiǎn)圖(L=8.1m)

        已知:鋼梁長(zhǎng)8.1m,鋼梁規(guī)格:H700×300×14×20;材質(zhì):Q355;鋼梁上外掛3塊預(yù)制掛板,每塊長(zhǎng)2680mm,掛板間間隙20mm,每塊重 1.79t,總重1.79×3=5.37t;荷 載 :鋼 梁 自 重 荷 載1.67kN/m,掛板荷載簡(jiǎn)化為線型均布荷載 6.68kN/m;鋼梁截面特性:I=17.23×10^4cm^4,E=2.1×10^5MPa。

        求:梁跨中撓度變形最大值:

        計(jì)算式:

        Ymax=ql^4/(384EI)=2.587mm

        2.1.2 理論計(jì)算統(tǒng)計(jì)

        理論計(jì)算H型鋼梁跨中擾度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

        H型鋼梁跨中擾度理論計(jì)算統(tǒng)計(jì)表 表1

        2.2 有限元分析

        本分析采用有限元軟件abaqus,針對(duì)設(shè)計(jì)的三種工況的整體模型最大位移、鋼梁最大位移、整體模型在X軸方向最大位移、鋼梁在X軸方向最大位移、整體模型在Y軸方向最大位移、鋼梁在Y軸方向最大位移、整體模型在Z軸方向最大位移、鋼梁在Z軸方向最大位移逐一進(jìn)行分析,其分析結(jié)果如下。

        ①第一種工況:鋼梁長(zhǎng)14.6m,兩端按剛接,鋼梁規(guī)格 H700×300×14×25;材質(zhì):Q355。鋼梁上外掛6塊預(yù)制掛板,每塊長(zhǎng) 2420mm,掛板間間隙20mm,每塊重 1.33 t,總重 1.33×6=7.98 t。

        整體模型最大位移分析——整體模型最大位移分析如圖5所示。

        圖5 整體模型最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型最大位移為8.550mm。

        鋼梁最大位移分析——鋼梁最大位移分析如圖6所示。

        圖6 鋼梁整體最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁整體最大位移為4.631mm。

        整體模型在X軸方向最大位移分析——整體模型在X軸方向最大位移分析如圖7所示。

        圖7 整體模型在X軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型在X軸方向最大位移量為:3.584mm。

        鋼梁在X軸方向最大位移分析——鋼梁在X軸方向最大位移分析如圖8所示。

        圖8 鋼梁在X軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁在X軸方向最大位移為3.584mm

        整體模型在Y軸方向最大位移分析——整體模型在Y軸方向最大位移分析如圖9所示。

        圖9 整體模型在Y軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型在Y軸方向最大位移為5.433mm。

        鋼梁在Y軸方向最大位移分析——鋼梁在Y軸方向最大位移分析如圖10所示。

        圖10 鋼梁在Y軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁在Y軸方向最大位移量為2.965mm。

        整體模型在Z軸方向最大位移分析——整體模型在Z軸方向最大位移分析如圖11所示。

        圖11 整體模型在Z軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型在Z軸方向最大位移量為0.3313mm。

        鋼梁在Z軸方向最大位移分析——鋼梁在Z軸方向最大位移分析如圖12所示。

        圖12 鋼梁在Z軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁在Z軸方向最大位移量為0.2361mm。

        ②第二種工況:鋼梁長(zhǎng)14.6m,兩端按剛接,鋼梁規(guī)格H700×300×14×25;材質(zhì):Q355。鋼梁上外掛6塊預(yù)制掛板,每塊長(zhǎng)2420mm,掛板間間隙20mm,每塊重1.33×1.45(安全系數(shù))=1.93t,總重1.93×6=11.58t。

        整體模型最大位移分析——整體模型最大位移分析如圖13所示。

        圖13 整體模型最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型最大位移量為12.410mm。

        鋼梁最大位移分析——鋼梁最大位移分析如圖14所示。

        圖14 鋼梁最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁最大位移量為6.724mm。

        整體模型在X軸方向最大位移分析——整體模型在X軸方向最大位移分析如圖15所示。

        圖15 整體模型在X軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型在X軸方向最大位移量為5.205mm。

        鋼梁在X軸方向最大位移分析——鋼梁在X軸方向最大位移分析如圖16所示。

        圖16 鋼梁在X軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁在X軸方向最大位移量為5.205mm。

        整體模型在Y軸方向最大位移分析——整體模型在Y軸方向最大位移分析如圖17所示。

        圖17 整體模型在Y軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型在Y軸方向最大位移量為7.888mm。

        鋼梁在Y軸方向最大位移分析——鋼梁在Y軸方向最大位移分析如圖18所示。

        圖18 鋼梁在Y軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁在Y軸方向最大位移量為4.305mm。

        整體模型在Z軸方向最大位移分析——整體模型在Z軸方向最大位移分析如圖19所示。

        圖19 整體模型在Z軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型在Z軸方向最大位移量為0.4811mm。

        鋼梁在Z軸方向最大位移分析——鋼梁在Z軸方向最大位移分析如圖20所示。

        圖20 鋼梁在Z軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁在Z軸方向最大位移量為0.3429mm。

        ③第三種工況:鋼梁長(zhǎng)8.1m,兩端按剛接,鋼梁規(guī)格H700×300×14×20;材質(zhì):Q355。鋼梁上外掛3塊預(yù)制掛板,每塊長(zhǎng)2680mm,掛板間間隙20mm,每 塊 重 1.79t,總 重 1.79×3=5.37t。

        整體模型最大位移分析——整體模型最大位移分析如圖21所示。

        圖21 整體模型最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型最大位移量為:12.33mm。

        鋼梁最大位移分析——鋼梁最大位移分析如圖22所示。

        圖22 鋼梁最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁最大位移量為1.901mm。

        整體模型在X軸方向最大位移分析——整體模型在X軸方向最大位移分析如圖23所示。

        圖23 整體模型在X軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型在X軸方向最大位移量為10.78mm。

        鋼梁在X軸方向最大位移分析----鋼梁在X軸方向最大位移分析如圖24所示。

        圖24 鋼梁在X軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁在X軸方向最大位移量為0.7767mm。

        整體模型在Y軸方向最大位移分析——整體模型在Y軸方向最大位移分析如圖25所示。

        圖25 整體模型在Y軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型在Y軸方向最大位移量為0.327mm。

        鋼梁在Y軸方向最大位移分析——鋼梁在Y軸方向最大位移分析如圖26所示。

        圖26 鋼梁在Y軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁在Y軸方向最大位移量為0.2851mm。

        整體模型在Z軸方向最大位移分析——整體模型在Z軸方向最大位移分析如圖27所示。

        圖27 整體模型在Z軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:整體模型在Z軸方向最大位移量為0.7952mm。

        鋼梁在Z軸方向最大位移分析——鋼梁在Z軸方向最大位移分析如圖28所示。

        圖28 鋼梁在Z軸方向最大位移分析圖

        由分析圖得出:鋼梁在Z軸方向最大位移量為0.09528mm。

        2.3 有限元分析統(tǒng)計(jì)

        根據(jù)上述三種不同工況的有限元分析,其統(tǒng)計(jì)最大位移量如表2所示。

        3 理論計(jì)算、有限元分析影響程度分析

        3.1 理論計(jì)算影響程度分析

        根據(jù)三種工況下H型鋼梁跨中擾度理論計(jì)算統(tǒng)計(jì)來(lái)看,梁跨中撓度變形最大值不足3mm(見(jiàn)表1所示),對(duì)PC掛板接縫的大小影響程度在允許范圍之內(nèi)。

        3.2 有限元分析影響程度分析

        3.2.1 Y方向位移分析

        根據(jù)上述三種不同工況的有限元分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表2所示),其中工況二中Y方向位移量最大,位移量為7.880mm,即2000mm平整度偏差為7.88(mm)/4=1.97(mm),在標(biāo)準(zhǔn)允許偏差范圍內(nèi)。

        3.2.2 整體模型位移和X方向位移分析

        根據(jù)上述三種不同工況的有限元分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2所示,其中工況二中X方向位移量最大位移量為10.780mm。PC掛板高度為1500mm,則為2000mm檢測(cè)尺的0.75,變形中心軸位于PC掛板的中間1/2處,則平整度偏差=X軸變形量×0.75/2。

        由此可得,當(dāng)X方向最大位移量為10.780mm時(shí),則垂直度偏差=

        10.780 (mm)×0.75/2=4.04(mm),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外墻垂直度應(yīng)<3mm,已超出標(biāo)準(zhǔn)允許偏差范圍內(nèi)。

        當(dāng):外墻垂直度應(yīng)<3mm時(shí),則X方向最大位移量為3×2/0.75≤8(mm)。

        即:當(dāng)整體模型位移和X方向最大位移量>8mm時(shí),應(yīng)采取措施。

        4 糾偏約束方法

        三種不同工況的有限元分析統(tǒng)計(jì)一覽表 表2

        4.1 安裝時(shí)反向預(yù)頂法

        分析表明,影響外墻PC掛板垂直度、平整度的主要因素是三種工況下的整體模型位移和H型鋼梁X軸的最大位移,安裝時(shí)可預(yù)先向位移相反方向預(yù)頂,實(shí)現(xiàn)方法如圖29所示。

        圖29 反向預(yù)頂法示意圖

        4.2 現(xiàn)澆筑混凝土前調(diào)整法

        分析表明,影響外墻PC掛板垂直度、平整度的主要因素是三種工況下鋼梁X軸的最大位移量,本案采用一種預(yù)制掛板固定及垂直度調(diào)整的工具,該工具在結(jié)構(gòu)板與PC掛板混凝土整體澆筑之前,先將PC掛板糾偏,使鋼梁X軸方向位移量減小至0(即:PC掛板垂直度偏差為0),然后澆筑混凝土,一周后拆除該工具。實(shí)現(xiàn)方法如圖30所示。

        圖30 現(xiàn)澆筑混凝土前調(diào)整法示意圖

        5 結(jié)語(yǔ)

        為了避免建筑工程H型鋼梁外掛PC板偏心受力而導(dǎo)致的外掛板板縫不均勻、垂直度和平整度偏差影響工程質(zhì)量,在經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和有限元分析H型鋼的剛度足以承受荷載的前提之下產(chǎn)生一定量的位移后,采取安裝時(shí)反向預(yù)頂法和現(xiàn)澆筑混凝土前調(diào)整法,可確保工程質(zhì)量。

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