韓康康

(中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司,安徽 合肥 230011)

0 引言

在建筑的發(fā)展過(guò)程中,拱形結(jié)構(gòu)占有重要位置。拱形結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、造型優(yōu)美、受力合理,是常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式之一。此外,拱形結(jié)構(gòu)可以在跨越幾百米的同時(shí),給建筑內(nèi)部留出大面積使用空間[1],故在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中被廣泛使用。

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步,新材料不斷涌現(xiàn),人們對(duì)拱結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也在逐步深入。在拱結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程中,由于其自身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和密實(shí)的配筋,對(duì)混凝土的澆筑和振搗造成了極大的困難,如果澆筑不好,則容易引發(fā)質(zhì)量問(wèn)題。傳統(tǒng)意義上的混凝土已經(jīng)不能滿(mǎn)足拱形結(jié)構(gòu)對(duì)于更大跨度和更大空間的需求,解決上述問(wèn)題的一個(gè)有效手段是配置高性能自密實(shí)混凝土[2]。自密實(shí)混凝土具有較高的流動(dòng)性、均勻性以及穩(wěn)定性,在澆筑時(shí)不需要外力進(jìn)行振搗,能夠通過(guò)自重作用流動(dòng)并充滿(mǎn)模板空間,從而達(dá)到較好的施工效果。

韓國(guó)建等[3]對(duì)新型三維波紋鋼拱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩種荷載工況條件下的計(jì)算分析,總結(jié)了此類(lèi)拱形結(jié)構(gòu)的受力性能和相關(guān)規(guī)律。王丹等[4]通過(guò)有限差分?jǐn)?shù)值模擬手段,分析了無(wú)柱拱形結(jié)構(gòu)的受力特征,得出拱形結(jié)構(gòu)頂板因無(wú)柱支撐從而導(dǎo)致彎矩較大并給予相應(yīng)建議。王曉孝等[5]以波紋鋼安裝為背景,計(jì)算分析了波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在吊裝時(shí)的受力性能,討論給出了波紋鋼吊裝過(guò)程中的薄弱部位及施工建議,為波紋鋼現(xiàn)場(chǎng)施工提供了理論依據(jù)和重要參考。但是對(duì)于拱形結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程,有關(guān)腳手架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析及施工安全等方面尚未深入研究。

腳手架失穩(wěn)坍塌[6-7],究其原因,主要有以下幾點(diǎn):腳手架搭設(shè)前未經(jīng)認(rèn)真分析計(jì)算,部分施工荷載沒(méi)有充分考慮;腳手架計(jì)算的理論模型與實(shí)際受力狀況不相符,而理論模型的計(jì)算公式、簡(jiǎn)化假定等與實(shí)際情況相差較多;腳手架使用的材料達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等。

本文以某拱形空間結(jié)構(gòu)為背景,通過(guò)有限元數(shù)值仿真手段,探究了其施工階段腳手架的安全性、穩(wěn)定性,以期為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

某拱形空間結(jié)構(gòu)采用新材料C60自密實(shí)混凝土澆筑而成,主要分為連拱和單拱兩部分。

連拱的主體為直墻拱結(jié)構(gòu),庫(kù)凈跨18 m,拱頂凈高7.5 m,直墻凈高2.8 m,長(zhǎng)度為34 m。具體布置為雙通道4連跨1組,單通道兩連跨7組,雙通道兩連跨9組。在連拱內(nèi)側(cè)設(shè)置3 mm厚雙向余弦三維波紋鋼板[8]作為防震塌鋼板,雙向余弦三維波紋鋼板不僅自身承載力更高、截面剛度更大,而且與混凝土復(fù)合后的截面材料利用更充分,抗震塌性能更好。單拱結(jié)構(gòu)截面形式基本相同,均為庫(kù)凈跨18 m,拱頂凈高7.5 m,直墻凈高2.5 m。新型材料C60高性能自密實(shí)混凝土,選取適當(dāng)配合比,添加了鋼纖維等特殊組分,28 d抗壓強(qiáng)度為71.5 MPa,坍落擴(kuò)展度達(dá)700 mm,在保證高強(qiáng)度的同時(shí),具有較高的和易性。拱形結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)腳手架布置如圖1所示。

對(duì)于庫(kù)體標(biāo)準(zhǔn)段腳手架,每榀波紋鋼板拱帶共設(shè)置13道立桿,將波紋鋼板弧長(zhǎng)等分14份,作為13道立桿的頂部橫向間距,立桿呈扇形布置;立桿縱向間距為0.825 m;支架豎向標(biāo)準(zhǔn)步距為1.5 m,頂部立桿懸挑過(guò)長(zhǎng)處,添加水平桿增加穩(wěn)定性,每道水平桿與立桿連接處均增設(shè)一道縱向通長(zhǎng)水平桿;底層掃地桿距地面15 cm;立桿下墊50 mm×200 mm方木,方木橫向擺放,腳手架規(guī)格為φ48×2.75 mm鋼管,具體布置如圖2,圖3所示。

2 拱形結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

為了研究拱形結(jié)構(gòu)施工階段腳手架的受力性能和穩(wěn)定性,本文采用ANSYS有限元軟件對(duì)其精細(xì)化建模,進(jìn)行靜力性能分析。

因?yàn)槭┕がF(xiàn)場(chǎng)的腳手架屬于復(fù)雜的空間受力體系,故在對(duì)其建模分析時(shí),不考慮腳手架的沉降;忽略豎向荷載的偏心和不垂直影響;連墻件簡(jiǎn)化成一個(gè)線位移剛性約束。

2.1 數(shù)值模型建立

該拱形空間結(jié)構(gòu)縱向延伸較長(zhǎng),不同位置處拱形結(jié)構(gòu)有所不同,導(dǎo)致腳手架的布置存在差異,綜合考慮將整段腳手架分為四部分,分別是庫(kù)體標(biāo)準(zhǔn)段腳手架、庫(kù)體頭部無(wú)波紋鋼段腳手架、門(mén)框墻處腳手架以及通道部位門(mén)框處腳手架,其中以庫(kù)體標(biāo)準(zhǔn)段腳手架為主。

本文將對(duì)上述四部分拱形結(jié)構(gòu)的腳手架進(jìn)行數(shù)值模擬,探究其施工階段的靜力性能及穩(wěn)定性。以庫(kù)體標(biāo)準(zhǔn)段腳手架為例,對(duì)建模過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2 模型及邊界條件

本文采用結(jié)構(gòu)荷載法對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析和穩(wěn)定性研究。在對(duì)庫(kù)體標(biāo)準(zhǔn)段腳手架進(jìn)行受力分析的過(guò)程中,為減小邊界條件及施加荷載對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響,基于圣維南原理,可將其簡(jiǎn)化為三榀鋼架。

在計(jì)算模型中,腳手架單元采用Beam189來(lái)模擬,材料類(lèi)型為Q235;拱形結(jié)構(gòu)單元采用Shell181來(lái)模擬,材料類(lèi)型為C60自密實(shí)混凝土,腳手架及拱形結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模型材料參數(shù)設(shè)置

在建立的有限元模型中,將腳手架與地面接觸部位設(shè)置為固結(jié),由于混凝土拱結(jié)構(gòu)變形較小,采用共節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)模擬腳手架與拱形結(jié)構(gòu)接觸部分。對(duì)于作為支撐體系的腳手架,通過(guò)有限元計(jì)算分析其在豎向荷載作用下的內(nèi)力特征時(shí),橫桿和立桿剛接,只需簡(jiǎn)單地將橫桿的剛度進(jìn)行折減,以此種方法來(lái)模擬接頭的抗轉(zhuǎn)剛度及橫桿的抗彎剛度對(duì)立桿軸向變形的約束作用,而不必通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)使用約束方程等煩瑣復(fù)雜的手段[9]。

采用上述方法所建立的有限元模型如圖4所示。

2.3 荷載工況

在施工過(guò)程中,腳手架結(jié)構(gòu)主要承受混凝土澆筑荷載、模板自重及施工荷載,按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)要求施加。

混凝土澆筑厚度為0.85 m,荷載取21.25 kN/m;拱形結(jié)構(gòu)混凝土澆筑模板自重取1 kN/m;施工荷載包括腳手架操作層上存放的材料、操作人員、施工工具等,綜合考慮施工過(guò)程實(shí)際情況,施工荷載取2 kN/m?？偤奢d為24.25 kN/m,設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)按25 kN/m添加。荷載分項(xiàng)系數(shù)按活載考慮,系數(shù)取值1.5。

綜合考慮拱形結(jié)構(gòu)各節(jié)段的受力狀態(tài),分別選取混凝土對(duì)稱(chēng)澆筑完成至拱頂、混凝土對(duì)稱(chēng)澆筑完成至拱圈一半以及混凝土先澆筑完成至拱圈一半等三個(gè)施工荷載工況進(jìn)行分析,為便于后文分析,按順序依次將其命名為工況一至工況三,如圖5所示。

分別對(duì)三種工況作用下,拱形結(jié)構(gòu)各節(jié)段腳手架的受力性能和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

3 靜力性能分析

本文采用ANSYS有限元軟件建立拱形結(jié)構(gòu)施工階段腳手架的空間精細(xì)化有限元模型,選取三種荷載工況,對(duì)腳手架進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,分析主體結(jié)構(gòu)受力特性及安全性。

3.1 應(yīng)力

通過(guò)對(duì)各節(jié)段腳手架施工過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算,得到了各工況作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。如圖6所示為庫(kù)體標(biāo)準(zhǔn)段腳手架在工況一作用下腳手架主應(yīng)力圖。

由圖6可見(jiàn),腳手架整體應(yīng)力分布較為均勻,最大為43.6 MPa,出現(xiàn)在高層橫桿位置處,遠(yuǎn)小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

依次對(duì)四個(gè)節(jié)段腳手架有限元模型分析計(jì)算,得到在三種工況作用下腳手架主應(yīng)力,如圖7所示。

庫(kù)體標(biāo)準(zhǔn)段腳手架在三種工況作用下,腳手架主應(yīng)力均小于其余節(jié)段腳手架。其在工況二作用下,主應(yīng)力為56 MPa,對(duì)比工況一作用,施加荷載降低50%,應(yīng)力值提高27.3%;在工況三作用下,主應(yīng)力為75 MPa,對(duì)比工況二作用,施加荷載降低50%,應(yīng)力值提高33.9%。

庫(kù)體頭部無(wú)波紋鋼段腳手架在三種工況作用下,腳手架主應(yīng)力均大于其余節(jié)段腳手架。其在工況二作用下,主應(yīng)力為99 MPa,對(duì)比工況一作用,施加荷載降低50%,應(yīng)力值提高12.5%;在工況三作用下,主應(yīng)力為117 MPa,對(duì)比工況二作用,施加荷載降低50%,應(yīng)力值提高18.1%。

對(duì)于同一個(gè)節(jié)段的腳手架模型而言,工況一作用下主應(yīng)力值最小,工況三作用下主應(yīng)力值最大,即混凝土單邊澆筑至拱圈一半時(shí)為最不利荷載工況;對(duì)于在同一種荷載工況作用下,庫(kù)體頭部無(wú)波紋鋼段腳手架的主應(yīng)力值最大,庫(kù)體標(biāo)準(zhǔn)段腳手架的主應(yīng)力值最小。

由圖7可知,在整個(gè)施工過(guò)程中,整段腳手架主應(yīng)力最大值為117 MPa,出現(xiàn)在荷載工況三作用下的庫(kù)體頭部無(wú)波紋鋼段腳手架,小于Q235鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值215 MPa。

總體而言,該拱形結(jié)構(gòu)各節(jié)段腳手架整體偏于安全,同時(shí),在施工過(guò)程中應(yīng)盡量保證混凝土對(duì)稱(chēng)澆筑,以避免最不利荷載工況的出現(xiàn)。庫(kù)體頭部無(wú)波紋鋼段腳手架應(yīng)力值普遍偏大,應(yīng)在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中予以重點(diǎn)關(guān)注,必要時(shí)采取一定控制措施,如減小支架豎向標(biāo)準(zhǔn)步距、增加立桿數(shù)量等。

3.2 穩(wěn)定性

腳手架屬于桿系結(jié)構(gòu),其穩(wěn)定性一般通過(guò)長(zhǎng)細(xì)比來(lái)考慮,如式(1)所示。對(duì)于受壓構(gòu)件,如果長(zhǎng)細(xì)比較小,則通常發(fā)生強(qiáng)度破壞;如果長(zhǎng)細(xì)比較大,則極易出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象,這將對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成極其嚴(yán)重的影響,應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生此類(lèi)現(xiàn)象。因此腳手架除了需滿(mǎn)足強(qiáng)度條件外,還需要考慮屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象[10]。

限制受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比是為了防止構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,即屈曲。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,對(duì)于軸心受壓柱、桁架和天窗架中的壓桿,容許長(zhǎng)細(xì)比為150。

(1)

其中,λ為長(zhǎng)細(xì)比;μ為長(zhǎng)度因數(shù);ix為截面回轉(zhuǎn)半徑。

腳手架鋼管規(guī)格為φ48×2.75 mm,截面回轉(zhuǎn)半徑見(jiàn)式(2):

(2)

則按照規(guī)范要求,腳手架最大容許長(zhǎng)度見(jiàn)式(3):

l=λix=150×1.6=240 cm=2.4 m

(3)

各節(jié)段腳手架構(gòu)件最大計(jì)算長(zhǎng)度如表2所示,其中受壓構(gòu)件最大計(jì)算長(zhǎng)度出現(xiàn)在庫(kù)體標(biāo)準(zhǔn)段,最大值為2.0 m,小于規(guī)范規(guī)定的最大容許長(zhǎng)度。

表2 腳手架最大計(jì)算長(zhǎng)度表

該拱形結(jié)構(gòu)各節(jié)段腳手架的穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求,不容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。影響腳手架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素較多,立桿截面尺寸、構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度以及節(jié)點(diǎn)約束條件等。這就要求在腳手架設(shè)計(jì)時(shí),必須充分考慮腳手架桿件的線剛度是否滿(mǎn)足計(jì)算μ值的相應(yīng)要求,同時(shí)在腳手架施工時(shí),必須嚴(yán)格控制實(shí)際使用荷載、確保架體搭設(shè)質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文以某拱形空間結(jié)構(gòu)施工過(guò)程為依托,通過(guò)有限元數(shù)值模擬,計(jì)算分析了拱形結(jié)構(gòu)腳手架在施工過(guò)程中的受力特征及穩(wěn)定性,并探究了新材料C60高性能自密實(shí)混凝土的施工性能,得到以下結(jié)論:

1)由結(jié)構(gòu)計(jì)算可知,最不利荷載情況下,腳手架支撐產(chǎn)生的最大應(yīng)力均小于Q235鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值,該拱形結(jié)構(gòu)各節(jié)段腳手架整體偏于安全,同時(shí),在施工過(guò)程中應(yīng)盡量保證混凝土對(duì)稱(chēng)澆筑,以避免最不利荷載工況的出現(xiàn)。庫(kù)體頭部無(wú)波紋鋼段腳手架應(yīng)力值普遍偏大,應(yīng)在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中予以重點(diǎn)關(guān)注。

2)腳手架在滿(mǎn)足強(qiáng)度的同時(shí),還應(yīng)注意避免腳手架構(gòu)件出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。通過(guò)計(jì)算分析,該拱形結(jié)構(gòu)各節(jié)段腳手架的穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。但需注意,影響腳手架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素較多,立桿截面尺寸、構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度以及節(jié)點(diǎn)約束條件等。這就需要在腳手架施工過(guò)程中必須嚴(yán)格控制實(shí)際使用荷載,確保架體搭設(shè)質(zhì)量。

3)該大跨空間結(jié)構(gòu)采用C60高性能自密實(shí)混凝土,施工過(guò)程更為簡(jiǎn)便快捷,效果良好,可為類(lèi)似工程提供借鑒。