自适应斜支撑系统的计算分析

2020-08-07韩亚明曹刘坤朱敏涛徐大为王晓旻

建筑施工 2020年4期

韩亚明曹刘坤朱敏涛徐大为王晓旻

上海建工五建集团有限公司上海 200063

装配式结构安装过程中，临时支撑结构非常重要[1-3]。本文在常规斜支撑的基础上，提出由支撑杆件系统、电子测垂系统、动力输出及调整系统组成的自适应斜支撑系统。在竖向构件吊装就位后，设置电子垂直度测量传感器（电子测垂系统），反馈无线数据信号，“一键式”启动外置数据转换及控制设备（动力输出及调整系统），对斜支撑后部设置的驱动器进行驱动，使得斜支撑杆件（支撑杆件系统）伸缩，从而快速引导预制墙体达到预期姿态，实现智能化、高精度调节。

1 数值计算分析

1.1 自适应斜支撑系统有限元模型建立

有限元软件Abaqus建模的实际操作过程包括支撑各部件绘制、各部件材料属性设置、部件装配、分析步设置、互相作用设置、荷载加载、网格划分以及运算和后处理。

1.1.1 自适应斜支撑系统材料本构模型

自适应斜支撑系统为全钢制作，均采用Q235型号的钢材，屈服强度为235 MPa，弹性模型为206 GPa，泊松比为0.3。考虑到支撑在加载过程中钢材最大应变＜5%，因此钢材的应力-应变关系采用理想双线型随动强化材料模型如图1所示，切线模量E2取弹性模量E1的2%。

图1 钢材本构模型

其中材料的塑性设置值为：屈服应力235 MPa，塑性应变为0；屈服应力450 MPa，塑性应变为0.051。

1.1.2 自适应斜支撑系统网格划分

网格单元类型为八节点六面体线性减缩积分单元。该单元适于细网格划分、含有接触问题的数值模拟。根据实际构件和SolidWorks模型，建立有限元模型（图2）。

图2 网格划分

1.1.3 自适应斜支撑系统加载制度

在四钢支撑-墙体系中，根据实际工作中自适应斜支撑系统的固定方式，自适应支撑系统两端与墙、地上的剪切板通过耳板连接墙体底部可以滑动，靠支撑固定。在墙板外侧同时施加风压荷载和底部撞击力，为最不利荷载组合情况（图3）。

图3 模拟组合荷载

1.2 自适应斜支撑系统有限元结果分析

模拟结果如图4所示，自适应斜支撑系统稳定，由于应力集中现象，杆件局部应力较大。上支撑杆件平均应力为39.30 MPa，下支撑杆件平均应力为13.19 MPa，连接板的最大应力为20.40 MPa，均满足要求。

图4 模拟结果

2 规范计算分析

上海某工地60 m处需安装一片高度为2.9 m、宽度为2.6 m、厚0.3 m的装配式墙板，因为不同荷载组合后，自适应斜支撑系统的承载力有可能不够，需要对其进行校算。本文将给出风荷载和撞击荷载组合下的工况进行过程，根据钢结构的基本概念和相关规范以及建筑结构荷载规范，对自适应斜支撑进行刚度、强度、连接件等校算。

2.1 基本荷载

按照规范所给公式计算风荷载计算值：

式中：ωk——风荷载标准值；

βz——高度z处的风振系数；

μs——风荷载体型系数；

μz——风压高度变化系数；

ω0——基本风压。

对于撞击荷载，取吊装墙板自重的20%进行计算（自重60 kN）。2种荷载叠加组合，组成最不利荷载撞击在装配式墙板上端。

2.2 校核计算

1）强度校算。正应力计算公式如下：

式中：N——所计算截面处的拉力设计值；

f ——钢材的抗拉强度设计值；

A——构件的毛截面面积。

2）刚度校算。i＝(D2＋d2)1/2/4＝15.95 mm，λ＝l0/i＝154.77＜[λ]＝200。

3）稳定性校算。λ( fy/235)1/2＝142.74，查表得φ（轴心受压构件的稳定系数，取截面两主轴稳定系数中的较小者）＝0.374 3，则有：N/(φAf )＝0.59＜1。

4）焊缝校算。σ＝N/(lwhe)＝85.77 MPa＜205 MPa（对接焊缝抗拉、抗压强度设计值）。其中，lw为焊缝长度；he为对接焊缝的计算厚度（在对接连接节点中取连接件的较小厚度，在T形连接节点中取腹板的厚度）。

5）连接板抗剪校算。σ＝N/dt ＝120.37 MPa＜ 205 MPa。

当风荷载与撞击荷载组合作用在双钢支撑-墙体系时，直接将2种荷载叠加作用在体系上，支撑强度、刚度、稳定性均满足要求。同时连接件的验算，包括焊接时焊缝、螺栓连接以及与墙、地处的连接板均满足要求。

2.3 结果对比

在风荷载、撞击荷载和组合荷载作用下，由于端部有较大的塑性变形，在依据规范进行计算时没有考虑，致使有限元模拟结果与规范计算结果有较大误差，具体结果为：上支撑的有限元模拟结果为39.300 MPa，规范计算结果为45.740 MPa，误差14.1%；下支撑的有限元模拟结果为13.190 MPa，规范计算结果为12.314 MPa，误差6.7%。