吊車(chē)運(yùn)行下鋼施工平臺(tái)力學(xué)性能有限元分析

楊曉奇 廖 意 何澤瑜 高 官 張士順

1.中鐵建設(shè)集團(tuán)南方工程有限公司 廣東 廣州 511400

2.暨南大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院“重大工程災(zāi)害與控制”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東 廣州 510632

1 概述

水上施工平臺(tái)是水利工程施工的臨時(shí)或永久工作平臺(tái)，具有穩(wěn)固安全、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是作為人員施工、大型機(jī)械設(shè)備工作、材料堆放，或后期運(yùn)營(yíng)等的主要場(chǎng)所，是沿海、沿江建筑施工的重要組成部分[1]。為便于施工搭設(shè)和適應(yīng)水中環(huán)境施工，水上施工平臺(tái)通常優(yōu)選鋼結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于其在受到變化荷載作用以及吊車(chē)等重載作用，因此需要保證其具有足夠的安全性和適用性[2， 3]。

本文以澳門(mén)南灣湖1號(hào)名勝世界(金銀島酒店)水上施工鋼平臺(tái)為例子，采用有限元仿真軟件ABAQUS建立相關(guān)有限元模型，考察不同工況下鋼平臺(tái)的受力變形情況，并與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)支梁計(jì)算方式進(jìn)行對(duì)比，提出改進(jìn)的建議。

2 有限元建模

鋼平臺(tái)的主要由鋼柱、主梁、次梁和鋼板四部分構(gòu)件組成。其對(duì)應(yīng)的截面性質(zhì)、材料參數(shù)如表1所示。

表1 鋼平臺(tái)各組分構(gòu)件材料性能指標(biāo)

由于ABAQUS軟件能高效分析和模擬復(fù)雜非線性力學(xué)問(wèn)題，在土木工程材料和結(jié)構(gòu)中具有廣泛的應(yīng)用[4]，本文采用該軟件進(jìn)行鋼平臺(tái)運(yùn)營(yíng)受力情況有限元分析和討論。在工程有限元模型中采用一維梁?jiǎn)卧M鋼柱、次梁和主梁，采用二維殼單元模擬鋼板。鋼材本構(gòu)模型選用無(wú)強(qiáng)化段的理想的彈塑性模型。主梁、次梁與鋼柱之間選用焊接方式連接，因而界面選用固接方式關(guān)聯(lián)；同時(shí)鋼板主要支撐在次梁上，且沿垂直于次梁方向布置，因而鋼板在次梁處為固接且連續(xù)。這與實(shí)際工程情況相符。

3 載荷及工況分析

鋼平臺(tái)工作時(shí)，主要受結(jié)構(gòu)自身重力、施工人員施工時(shí)產(chǎn)生的均布施工活荷載、吊車(chē)產(chǎn)生的荷載以及橫向荷載等。其中，吊車(chē)荷載為130噸，施工活荷載為3k N/m2，橫向荷載為3.714k N/m2，鋼板的面自重為1.57k N/m2，次梁的線自重為0.67kN/m，主梁的線自重為2.38kN/m，鋼柱的線自重為1.84k N/m。同時(shí)將調(diào)整系數(shù)考慮到荷載當(dāng)中。其中，恒載安全系數(shù)為1.35，活載安全系數(shù)為1.5，動(dòng)力荷載系數(shù)為1.2，材料系數(shù)為1.1。計(jì)算分析時(shí)，不同構(gòu)件的最不利受力狀態(tài)由四種不同荷載工況產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)吊車(chē)不同狀況，各個(gè)工況對(duì)應(yīng)的荷載如表2所示。

表2 工況對(duì)應(yīng)的荷載

4 分析與討論

4.1 工況① 工況①是鋼板所對(duì)應(yīng)的最不利荷載情況，由于鋼板直接支承于次梁上，因此主要考慮垂直于次梁方向的鋼板的彎矩，即Y方向的彎矩。有限元計(jì)算最大正彎矩(跨中)為13.86k N/m-1，最大的負(fù)彎矩(支座)為19.49kN/m-1。與傳統(tǒng)簡(jiǎn)化相鄰次梁間鋼板的單跨簡(jiǎn)支梁模型計(jì)算的方法相比，有限元方法計(jì)算的最大跨中彎矩偏小，但支座彎矩卻明顯偏大，這是由于傳統(tǒng)簡(jiǎn)化計(jì)算沒(méi)有考慮支座的焊接，以及鋼板在次梁上連續(xù)而產(chǎn)生的固接作用對(duì)跨中彎矩的減小。同時(shí)由于吊車(chē)輪子的寬度相對(duì)于板的寬度較小，會(huì)在板上造成一定的集中作用，若簡(jiǎn)化計(jì)算中認(rèn)為吊車(chē)作用在板的寬度方向(即X方向)是均勻布置的，會(huì)低估了彎矩作用，但兩種方法的結(jié)果均符合驗(yàn)算要求。其長(zhǎng)邊方向的應(yīng)力云圖以及鋼板在面外方向(即Z軸負(fù)方向)的位移云圖如圖2所示。鋼板的最大應(yīng)力252.5MPa小于屈服應(yīng)力275MPa，鋼板的最大撓度2.13mm小于允許撓度，因此構(gòu)件是安全的。

圖2 工況①鋼板受力情況云圖

4.2 工況② 工況②對(duì)應(yīng)次梁處于最不利荷載的情況，此時(shí)其中一邊的吊車(chē)輪子作用在次梁之上。次梁垂直于截面的彎矩云圖、位移云圖如圖4所示。從圖中看到每根次梁都會(huì)存在彎矩，這是因?yàn)椴煌拇瘟褐g會(huì)存在相互作用，彎矩會(huì)傳遞到其他次梁上，同時(shí)也會(huì)傳遞到不同跨中。有限元計(jì)算的最大正彎矩，即吊車(chē)直接作用的次梁的中間跨的跨中彎矩為297.07 kN/m-1；最大負(fù)彎矩，即支座彎矩為120.32kN/m-1，最大撓度為1.74 mm。與采用簡(jiǎn)支梁模型計(jì)算的最大跨中彎矩和最大撓度對(duì)比，有限元計(jì)算中由于考慮了跨與跨、次梁與次梁的相互作用以及支座處固接等原因，因而彎矩較小。

圖4是最危險(xiǎn)跨的支座應(yīng)力云圖。對(duì)于節(jié)點(diǎn)而言，考慮主梁和次梁為焊縫的連接。從節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖可知主次梁的應(yīng)力都較小，主要應(yīng)力集中在焊縫中部上?？芍诖朔N外力作用下，焊縫的最大應(yīng)力為287.8MPa，小于其屈服荷載，構(gòu)件是安全的。

圖3 工況②次梁受力情況云圖

圖4 最危險(xiǎn)跨的支座應(yīng)力云圖

4.3 工況③ 工況③對(duì)應(yīng)主梁處于最不利荷載的情況，此時(shí)吊車(chē)的兩輪均落在主梁上方。此時(shí)主梁的軸向彎矩云圖、應(yīng)力云圖、位移云圖以及截面應(yīng)力云圖如圖5所示。此時(shí)主梁的最大正彎矩為1356.67k N/m-1，最大負(fù)彎矩為865.7k N/m-1。最大位移1.49mm。與工況②情況類(lèi)似，有限元模型中主梁在支座端也為固接，亦存在相互作用，導(dǎo)致最大彎矩小于簡(jiǎn)支梁模型計(jì)算的彎矩，但兩種方法正負(fù)彎矩之差近似，此時(shí)有限元計(jì)算主梁的最大應(yīng)力為271.3MPa，遠(yuǎn)小于鋼材S335的屈服強(qiáng)度。

圖5 工況③主梁受力情況云圖

4.4 工況④ 工況④對(duì)應(yīng)鋼柱最不利荷載的情況，此時(shí)一個(gè)吊車(chē)輪位于鋼柱上方。由于鋼柱下端嵌入土中，因而認(rèn)為其下端固接，而其自由端計(jì)算高度為12.4m。鋼柱的應(yīng)力云圖、位移云圖如圖6所示。從圖中可知鋼柱的最大應(yīng)力為275.8MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度；鋼柱的位移為11.9mm，其強(qiáng)度和剛度均符合要求。

圖6 工況④鋼柱受力情況云圖

對(duì)于鋼柱而言，其破壞形式通常還包括屈曲失穩(wěn)破壞。在不考慮鋼平臺(tái)的扭曲失穩(wěn)的情況下，在ABAQUS中使用屈曲分析得到其第一、第二失穩(wěn)模態(tài)，其中第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的為x軸方向、第二模態(tài)對(duì)應(yīng)y軸方向。將兩種模態(tài)作為初始缺陷導(dǎo)入Risk計(jì)算模塊中，獲得其極值點(diǎn)失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的鋼柱的極限軸力，由此可得處于最不利荷載下鋼柱的軸力-位移曲線，如圖7所示。其極限軸力為1962.55k N，小于鋼柱的最大軸壓承載力，因此鋼平臺(tái)的屈曲失穩(wěn)分析也是符合要求的。

圖7 處于最不利荷載下鋼柱的軸力-位移曲線

5 小結(jié)

本文對(duì)鋼平臺(tái)不同構(gòu)件處于最不利狀態(tài)下的分析可知，相對(duì)于采用簡(jiǎn)支梁模型的簡(jiǎn)化方法，采用有限元計(jì)算方法考慮到了整個(gè)鋼平臺(tái)在受到不同荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部之間的相互影響，從而使得主梁、次梁算得最大跨中彎矩，最大支座彎矩以及兩者之差都是小于簡(jiǎn)支梁計(jì)算所得。這表明采用的簡(jiǎn)支梁模型算法開(kāi)展鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)高估了荷載的不利作用，具有保守性，使得材料在應(yīng)用中產(chǎn)生一定程度的浪費(fèi)。然而，對(duì)于鋼板中吊車(chē)荷載的不利影響，若簡(jiǎn)化方法中近似認(rèn)為吊車(chē)荷載均布在同一跨的鋼板上，而沒(méi)有考慮到其具有一定的作用力集中狀況，此時(shí)計(jì)算出的鋼板最大彎矩將小于實(shí)際工程情況，而導(dǎo)致鋼板設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，具有一定的危險(xiǎn)性。因此需要將該集中荷載均勻化簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的不利影響，綜合平衡考慮鋼板在跨與跨之間的相互作用對(duì)集中彎矩的降低作用，優(yōu)化設(shè)計(jì)出安全經(jīng)濟(jì)的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件。