静力状态下木结构支撑结构安全性分析

2017-08-03张煜赵方李尚庆曲旻皓刘本帅

中国应急救援 2017年4期

张煜赵方李尚庆曲旻皓刘本帅

静力状态下木结构支撑结构安全性分析

张煜赵方李尚庆曲旻皓刘本帅

木结构支撑技术是地震现场对受损的建构筑物临时加固的措施和对救援队员进行培训的重点科目。更为高效、准确的进行木结构支撑作业不但能在现场为被困者争取宝贵的时间，也能为现场作业环境提供相当的安全保障。本文通过有限元分析结果反映整个支撑结构的受力特点、薄弱环节和建议的改进措施，为木结构支撑的安全合理性提供理论基础。

木结构支撑有限元分析安全性

1.基本参数

1.1 材料定性及截面建立

本次建模所使用的工具为通用的空间有限元分析软件Midas Civil，建模前需要对木结构支撑模型的材料属性及建立截面进行定义，根据U.S. Army Corps Of Engineers Urban Search and Rescue Program:Shoring Operations Guide(美国陆军工程兵团城市搜索与救援程序:支撑行动指南)所建议的木材种类，本次建模使用冷杉木作为材料，按照标准杉木的力学参数，弹性模量设置值为12Gpa，单位容重为5.009kN/m3，由于只考虑静力状态下的支撑结构受力状态，故材料类型选取各向同性，实际木材由于受天然生长的缘故，力学性能表现为各向异性。

在实际支撑作业中，所使用的木材均为尺寸一致的方形长木料，一般尺寸为10×10cm方木及10×4cm的木板，材料为均质的规则图形，故不考虑偏心作用，设置同尺寸的截面如下图所示。

1.2 边界条件及杆件连接

在进行有限元建模时，需要规定模型的边界条件及连接情况，根据实际情况中对连接位置的约束条件进行模拟可以提高有限元结果的仿真性，连接情况一般分为以下三种。

1.2.1 各构件之间的边界条件

构件间的连接如顶板和立柱的连接一般依靠双向固定的节点板，在节点板和木料的接触位置会使用三角形或者继续延伸三角形钉铁钉的方式进行连接，所以构件的端部在沿坐标轴Z轴方向受铁钉摩擦力及节点板相互作用力的约束，不能产生位移；在X轴及Y轴方向受铁钉抗剪力的约束，不能产生位移。所以在模拟时把这些连接点都设置为刚性约束。

图1 材料参数设定

图2 木料截面设定

图3 木条带截面设定

1.2.2 木结构支撑和接触面的边界条件

木支撑结构和接触面的边界条件一般都是互相挤压的，例如对一个单T支撑而言，顶板和顶部的被支撑物体互相挤压，底板和下方的地面互相挤压。由于挤压力总是垂直于接触面的，所以在接触面的边界条件的设置上一般为垂直于接触面方向约束（一般为X轴或Y轴），其余两个方向不约束。

1.2.3 木楔和支撑构件的边界条件

木楔在实际操作中会先敲击打紧，再对两边钉入钢钉，所以木楔和支撑构件的边界条件为在X轴和Y轴上约束，在Z轴上不进行约束。

1.3 木楔的模拟及需求分析

图4 木楔节点建立及边界条件

图5 木楔有限元分析图

木楔几乎在所有木结构支撑种类中都有出现，其作用主要为：（1）在长度上可以起到调节作用；（2）可以对结构施加预应力（均为压力），使支撑结构和被支撑物体充分接触，传导荷载，限制被支撑物体的位移，降低二次倒塌的风险。因此对木楔本身的受力特点的研究是十分必要的，在有限元建模中单独对木楔进行建模，并在接触位置施加荷载以便观察木楔整体的受力特性，在实际建模中可以简化模型省略木楔，因为在实际操作中，需要木楔打紧后支撑结构才能有接触面和力的传导，而在建模中可以直接添加荷载，对模拟结果的影响很小。

木楔本身是成对切割的两个三角形，在对两个木楔两端同时冲击后可以依靠摩擦力咬合，从而达到固定整个木支撑结构的作用，故在受压作用时是作为整个矩形单元受压的,在和构件的接触面上受压作用更大。

2.木结构支撑构建流程及有限元分析结果

2.1 单T支撑

单T支撑是一个在完整支撑系统架设前的临时支撑，首先详细调查整个受损区域，测定负载偏心移位或者结构失稳等危险因素并清理整个支撑作业区域，避免不平整的地面和较软的基础。测量需要支撑位置的总高度并减掉顶部、底部、楔子的预设高度及立柱的高度。接着在安全区域预制T点支柱和顶部（胶合节点板连接处需要双面加固），把单T支撑放在负载中心位置，注意滑动立柱和楔子底盘到位并检查支撑系统是否垂直，加固楔子至紧实状态。最后安装下半部节点板，使顶板和地板抵住天花板及地面。单T支撑用气动支撑，液压支撑，埃利斯夹和螺丝千斤顶来构造均可。

图6 单T支撑示意图及节点单元建立图示

注：基于未知的稳定性，设计荷载取450-1800kg。

首先按照顶板及底板1m，立柱3.4m的长度尺寸建立节点，由于单T支撑所需的木料只有单一尺寸，所以在节点位置添加1截面形成连续单元。在结构连接处添加连接方式，在接触位置设置边界条件。为了模拟在静力条件下单T支撑的受力情况，在顶板位置添加均布荷载，荷载方向垂直向下，荷载大小为4.3KN/m。对模型进行有限元分析，并导出分析结果。

图7 顶板和立柱的刚性连接

轴力（FN）分析结果：

根据分析结果，单T支撑结构会在立柱部分产生轴力，轴力大小为负，整体受压，由于立柱的截面均为0.1m×0.1m的方形截面，所以轴力的大小没有发生变化。对于压杆稳定可带入欧拉公式对于两端固定的细长杆，取μ＝0.5，再根据所选木材的抗弯强度（EI），就可估算出会导致立柱失稳的荷载大小的近似值。

图8 单T支撑轴力、剪力及弯矩图

剪力（FS）分析结果：

根据分析结果，单T支撑结构在顶部顶板位置会受到剪力作用，立柱左侧顶板为逆时针受剪（负剪力），立柱右侧顶板为顺时针受剪（正剪力），剪力大小为受力长度和均布荷载大小的乘积，且在根部位置为最大剪力。这是由于顶板两端为悬臂端，在受均布荷载作用下，剪力会从端部到根部呈线性均匀增大状态，故如果施加较大荷载，根部有剪断风险。其余构件均没有剪力存在。

弯矩（M）分析结果：

根据分析结果，单T支撑结构在顶部顶板位置由于受到上方均布荷载的作用，会沿悬臂端至立柱支持处产生负弯矩，呈二次抛物线分布，并在根部位置达到弯矩的最大值其中左端弯矩和右端弯矩大小相等。其余构件均不产生弯矩。

2.2 双立柱支撑

双立柱垂直支撑是一个短期内能持续提供承载力的支撑形式，其稳固性优于单T支撑及双T支撑。操作时在天花板和地板上固定双立柱垂直支撑的顶板及底板,固定于顶板下的立柱间距不超过1.5m,允许的倾斜值为

首先测量支撑面的三个高度值（两个边缘及中间位置），取最小值作为最终支撑高度。注意顶板、底板及立柱应使用相同尺寸的木料，在计算时应减掉顶部，底部以及楔子的预设高度（通常均为木料的横截尺寸），把计算好的切割清单递交至运料员，操作时应尽可能在安全区域对支撑构件进行制作。

图9 双立柱支撑示意图及节点建立图示

放置立柱于平整地面并对准顶板，对节点板进行双面固定对角线以及中间部分的支撑构件，接着移动支撑结构至负载的中间位置，把底板移动到正确位置，并把楔子放置于立柱正下方，检查支撑结构是否垂直于地面，检查稳定性，然后对楔子进行加固，安装底部节点板并进行双面固定。如果可能的话，确保支撑结构的顶板及底板紧贴于上部结构及地面。

首先按照顶板及底板2.3m，立柱3.5m，立柱间距1.7m，斜条带距边缘0.1m的长度尺寸建立节点，双立柱支撑顶板、底板及立柱使用0.1m×0.1m的木料，在其两立柱间使用0.1×0.04m的木条带形成类似钢结构的桁架结构，有效的增加了整个结构的承载力，固定在立柱中间部位的条带分别在两端和立柱固结，两根斜条带从立柱中间部位开始贯穿至顶底板，分别在立柱中间部位、下端和顶底板的边缘位置固结，立柱和顶板结合位置也做固化处理，顶底板和被支撑面及地基的边界条件只限制X轴方向的位移。为了模拟在静力条件下双立柱支撑的受力情况，在顶板位置添加均布荷载，荷载方向垂直向下，荷载大小为4.3KN/m。对模型进行有限元分析，并导出分析结果。

弯矩（M）分析结果：

根据分析结果，双立柱支撑结构在顶部顶板位置由于受到上方均布荷载的作用，会沿悬臂端至立柱支持处产生负弯矩，呈二次抛物线分布，处在两立柱间的顶板下表面受拉，上表面受压，在顶板中间位置为弯矩最大值，为正弯矩。在两根立柱上半部分也有弯矩，但较顶板弯矩较小。因此在上部荷载较大的情况下顶板有被压弯的风险，有可能出现木料下方劈裂，横向裂缝的现象。

图10 双立柱支撑轴力、剪力及弯矩图

2.3 斜向支撑

斜向支撑主要是对有倒塌风险的墙体或出现裂缝的走廊等纵向结构体系进行支撑加护作用。一般斜杆的倾斜角度为45°，把夹板钉在护墙板上，夹板的最小尺寸为60cm，使用14-16d号钉进行固定。若斜杆倾斜角度为60°，则使用80cm的夹板。

把护墙板和斜杆拼装在一起，并在连接位置钉上节点板。垂直墙体放置底板，并使用节点板和护墙板进行连接（注：可先用蹄钉进行临时固定）。从护墙板和底板的连接位置到斜杆的中间位置固定木条带并在斜杆上固定单个节点板，距离斜杆底端的裸露部分至少5cm。翻转支撑结构，在相反方向采用同样的方式进行固定。最后把整个支撑结构竖起来，正确固定底部夹板，预留4cm木楔的位置。

图11 斜向支撑示意图及节点单元建立图示

首先按照护墙板及底板2.0m,斜杆倾斜角度45°，斜杆边缘距护墙板及底板边缘均0.4m，斜条带连接斜杆中间部位及护墙板底板的结构设置建立节点。斜向支撑护墙板、底板及斜杆添加0.1m×0.1m的木料截面，斜条带添加0.1m×0.04m的木料截面。斜杆与护墙板及底板的结合位置固结，斜条带的两端固结，底板与地面的接触位置在沿X轴方向约束位移，底板最右端由于实际操作时会使用锚点或者天然刚体进行约束作用，故在建模时设置为固结状态。为了模拟在静力条件下斜向支撑的受力情况，在被支撑墙体位置添加均布荷载，荷载方向水平向右，荷载大小为4.3KN/m。对模型进行有限元分析，并导出分析结果。

轴力（FN）分析结果：

根据分析结果，斜向支撑结构会在护墙板部分及斜杆部分产生轴力，护墙板和斜杆的连接处至下端表现为拉应力，斜杆表现为压应力，主要是由于墙体的均布荷载迫使护墙板和斜杆的连接点水平向右位移，此时护墙板被拉伸，斜杆被压缩。值得注意的是斜条带并没有产生轴力，这主要是因为斜条带的作用是防止斜杆在承受过大压力时产生的失稳现象，因此斜条带的轴力在斜杆随机出现失稳时，既可能表现为拉应力，也有能表现为压应力，在此次建模中斜杆没有超出自身抗弯强度的极限值，因此没有发生弯曲，故斜条带没有产生轴力。

图12 斜向支撑轴力、剪力及弯矩图

剪力（FS）分析结果：

根据分析结果，斜向支撑结构在护墙板位置会受到剪力作用，护墙板和斜杆的连接处至上边缘位置为悬臂端，受墙体的均布荷载作用，产生负剪力，由上边缘至节点位置呈线性增大，护墙板和斜杆的连接处至下边缘位置的上半部分为正剪力，下半部分为负剪力。由分析结果可知，剪力最大位置在护墙板和斜杆的连接处，因此在荷载较大的情况下，连接处的木料或节点板有出现剪切破坏的风险，此外护墙板和底板的连接处也是一个高风险点。

弯矩（M）分析结果：

根据分析结果，斜向支撑结构在护墙板悬臂端位置由于受到水平向右均布荷载的作用，会沿悬臂端至连接处处产生负弯矩，呈二次抛物线分布，处在连接处至下边缘间的护墙板下表面受拉，上表面受压，在护墙板中间位置为弯矩最大值，为正弯矩。因此在侧向荷载较大的情况下护墙板有被压弯的风险，有可能出现木料侧向劈裂，纵向裂缝的现象。

2.4 飞型支撑

飞型支撑是作为现场临时支撑使用的，仅在可以放置其他永久支撑的条件下，可以考虑使用以下步骤来构建此支撑。

选取一个安全区域展开作业，确定飞型支撑在被支撑墙体上的插入点高度，距离地面上边缘0.6m。按照设计长度对木料进行切割以制作斜角柱，切割方式和斜向支撑是一致的。把夹板钉到护墙板上，安装斜角柱和扣板。在斜角柱延伸至地面的位置安装底部支撑。接着移动斜角柱至正确位置，并通过底部锚定。连接墙体，收紧木楔，固定好底部后，穿过斜角柱，固定住飞型支撑。

图13 飞型支撑示意图及节点单元建立图示

图14 飞型支撑轴力、剪力及弯矩图

轴力（FN）分析结果：

根据分析结果，飞型支撑结构会在护墙板部分（非悬臂段）、斜角柱部分及底部条带产生轴力，护墙板和斜杆的连接处至下端表现为拉应力，斜杆表现为压应力，主要是由于墙体的均布荷载迫使护墙板和斜杆的连接点水平向右位移，此时护墙板被拉伸，斜杆被压缩。中间条带存在拉应力，这主要是由于中间条带可以帮助限制斜杆的水平位移和转动，也可有效减少斜杆所受弯矩作用，可以帮助提高整个支撑结构的稳定性和强度。最大的压应力位置在斜杆的下部，因此如果荷载过大，有可能引起斜杆下半部分的压缩变形或失稳。

剪力（FS）分析结果：

根据分析结果，飞型支撑结构在护墙板位置会受到剪力作用，护墙板和斜杆的连接处至上边缘位置为悬臂端，受墙体的均布荷载作用，产生负剪力，由上边缘至节点位置呈线性增大，护墙板和斜杆的连接处至下边缘位置的上半部分为正剪力，下半部分为负剪力，中间条带受负剪力作用，斜杆整体受负剪力作用。由分析结果可知，剪力最大位置斜杆的下半部分，因此在荷载较大的情况下，斜杆的下半部分有出现剪切破坏的风险，可能出现断裂，变形的情况。

弯矩（M）分析结果：

根据分析结果，飞型支撑结构在斜杆下半部分位置由于受到水平向右均布荷载的作用，会沿连接处至下方锚点位置产生正弯矩，呈二次抛物线分布，在护锚点位置为弯矩最大值。由于上方部分斜杆、护墙板及中间条带会形成较为稳固的三角形，因此斜杆的下半部分为弯矩值最大处，在侧向荷载较大的情况下斜杆下部有压弯的风险，有可能向下产生一定程度的挠度，锚点位置有可能出现错动、转动的情况，木料可能出现劈裂、变形的现象，可考虑在此位置增加护板或垫块来提高此构件的力学性能。