基于Abaqus高支模墻柱支撐系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張金山/ZHANG Jin-shan

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

在結(jié)構(gòu)層高較大的混凝土工程施工中，高支模技術(shù)是使用較多的一種支撐系統(tǒng)。如地下軌道地鐵站工程，因?qū)痈咻^大，高支模技術(shù)應(yīng)用非常普及。高支模指搭設(shè)高度5m 及以上或搭設(shè)跨度10m 及以上或施工總荷載10kN/m2及以上或集中線荷載15kN/m 及以上或高度大于支撐水平投影寬度且相對獨(dú)立無聯(lián)系構(gòu)件的混凝土模板支撐工程的總稱。由于高支模是一種時(shí)變結(jié)構(gòu)，它很容易造成整體或局部的失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成整個(gè)高支模系統(tǒng)的失穩(wěn)，從而造成大量的事故。在高支模設(shè)計(jì)的最初，可能會(huì)存在局部結(jié)構(gòu)分布不夠規(guī)范，部分支架分布間距可能合理但不夠經(jīng)濟(jì)。關(guān)于高支模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目前主要采用結(jié)構(gòu)力學(xué)基本方法簡化后，通過施工管理軟件進(jìn)行計(jì)算，構(gòu)件初選多靠經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)后校核計(jì)算，一般不進(jìn)行方案對比等過程，可能會(huì)造成一定的浪費(fèi)。

本文以深圳軌道交通某地鐵站為研究對象，基于Abaqus 有限元分析軟件，通過快速建模，在滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的條件下，以經(jīng)濟(jì)性評價(jià)為目的，對高支模墻柱支撐系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

深圳某地鐵車站為地下二層式結(jié)構(gòu)，站臺(tái)寬11.0m，有效站臺(tái)長度140m。標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)形式為地下二層單柱雙跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，站后設(shè)交叉渡線。車站頂板覆土厚度約3.0～3.4m，車站主體結(jié)構(gòu)為單柱雙層雙跨混凝土結(jié)構(gòu)。車站側(cè)墻厚0.7m，模板采用18mm 厚的膠合板，內(nèi)楞100mm×100mm 木方豎向布置，間距200mm，外楞?48.3×3.6 雙鋼管水向布置，上下間距初步設(shè)計(jì)為800m，整體對稱布置。

高支模模板系統(tǒng)包括柱模板、板模板、梁模板、側(cè)墻模板、剪刀撐以及頂托、扣件等，本文主要針對墻柱模板支撐系統(tǒng)開展研究。本工程共兩層，支撐系統(tǒng)相互獨(dú)立，文中選用較高一層的墻柱支撐系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于墻柱一面緊靠隧道，故模板支撐系統(tǒng)只做一面設(shè)計(jì)。

2 模型構(gòu)建

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

墻柱支撐系統(tǒng)采用鋼管扣件式腳手架，整個(gè)墻面布置，主要由?48.3×3.6 的扣件式鋼管、面板、方木、剪刀撐等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在Abaqus 有限元軟件分析中，交叉鋼管之間連接的方式為旋轉(zhuǎn)扣件，建模時(shí)設(shè)為鉸接，鋼管與地面的約束為鉸接。單元類型采用曲面殼單元S4R（4 節(jié)點(diǎn)四邊形有限薄膜應(yīng)變線性縮減積分殼單元），鋼材本構(gòu)模型采用兩折線彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。支撐體系有限元模型見圖1。

圖1 墻柱支撐系統(tǒng)有限元模型圖

2.2 支撐體系材料屬性

支撐體系骨架均采用?48.3×3.6 的扣件式鋼管，材料為Q235 鋼，材料屬性如表1 所示。

表1 支撐系統(tǒng)材料屬性表

2.3 支撐體系模型加載

支撐體系所受荷載直接作用在模型的側(cè)面板上，荷載類型及組合方式根據(jù)JGJ 162-2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》、JGJ 130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》及GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范規(guī)定的方式計(jì)算并按實(shí)際情況組合。加載后應(yīng)力如圖2 和圖3 所示。

圖2 墻模板局部應(yīng)力云圖

圖3 墻模板局部應(yīng)變云圖

2.4 模型的合理性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文建立的有限元計(jì)算模型的準(zhǔn)確性及適用性，對墻體支撐系統(tǒng)主梁（支撐方木的鋼管，計(jì)算時(shí)截面取48.3mm×3.0mm）在組合荷載下彎矩進(jìn)行計(jì)算。主梁截面抵抗矩W為4.49cm3，主梁彈性模量E為206000N/mm2，主梁截面慣性矩I為10.78cm4，主梁計(jì)算方式簡化為為四等跨連續(xù)梁，主梁為兩根。立桿間距及大梁間距均為700mm。

按傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)簡化方法計(jì)算，截面最大正應(yīng)力σ=Mmax/W=83.96N/mm2。同樣條件下，按Abaqus 有限元模型計(jì)算得出截面最大正應(yīng)力σ=84.69N/mm2，誤差小于2%，模型基本合理。

3 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)和變量

鋼管的搭設(shè)間距直接與支撐體系強(qiáng)度、剛度及用鋼量的大小相關(guān)。分析中以保證結(jié)構(gòu)體系在滿足規(guī)范允許的承載及變形能力條件下，用鋼量最少為基本目標(biāo)。調(diào)整的變量為支撐體系中的鋼管的橫向和縱向的間距，最終確定一個(gè)滿足規(guī)范要求的合理骨架間距。

3.2 墻體支撐系統(tǒng)主梁跨度的優(yōu)化

墻體支撐系統(tǒng)優(yōu)化包括大梁跨度優(yōu)化、大梁間距優(yōu)化、斜撐布置優(yōu)化等，這里僅以主梁跨度為例說明優(yōu)化過程。通過有限元分析，分別計(jì)算可得出在不同的跨度下，結(jié)構(gòu)的最大正應(yīng)力σ，最大切應(yīng)力τ，以及豎向撓度v，其中最大正應(yīng)力變化情況見圖4 所示。

圖4 主梁不同間距最大應(yīng)力值比較

從圖4 可以看出，最大正應(yīng)力σ均小于抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205N/mm2。同時(shí)計(jì)算側(cè)向撓度均小于允許撓度。當(dāng)主梁的跨度從700mm 增加到820mm 時(shí)，最大正應(yīng)力和最大切應(yīng)力值都呈增長趨勢，且增幅先小后大；同樣，豎向撓度隨著主梁跨度的增大，撓度越來越接近允許撓度，并且增幅逐漸增大。由于墻體模板一段為懸挑構(gòu)建，主梁間距一般不宜超過800mm。結(jié)合以上分析，懸挑式墻體支撐系統(tǒng)主梁跨度宜取800mm，基本滿足規(guī)范及經(jīng)濟(jì)性要求。其他參數(shù)的優(yōu)化過程方法類似。

3.3 獨(dú)立柱支撐系統(tǒng)立桿間距的優(yōu)化

柱支撐系統(tǒng)優(yōu)化包含柱箍間距優(yōu)化、立桿間距優(yōu)化、對拉螺栓優(yōu)化、斜撐布置優(yōu)化等，這里僅以立桿間距跨度為例說明優(yōu)化過程。由工程經(jīng)驗(yàn)，立桿間距依次遞增，分別取值700mm、750mm、800mm、850mm、900mm、950mm 進(jìn)行分析。通過有限元分析，分別計(jì)算可得出在不同間距時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大正應(yīng)力σ，最大切應(yīng)力τ，以及豎向撓度υ，其中最大正應(yīng)力變化情況如表2所示。

表2 立桿不同間距下參數(shù)

由表2 可以看出，立桿不同間距下的正應(yīng)力強(qiáng)度均小于抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205N/mm2，且長細(xì)比均小于許用長細(xì)比[λ]=210。此外，當(dāng)立桿的間距由700mm 逐漸增大到950mm 時(shí)，正應(yīng)力強(qiáng)度和長細(xì)比也呈現(xiàn)遞增趨勢。根據(jù)JGJ 130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，結(jié)合柱的工程施工經(jīng)驗(yàn)，立桿間距最大不宜超過900mm，基本滿足規(guī)范及經(jīng)濟(jì)性要求。其他參數(shù)的優(yōu)化過程方法類似。

4 結(jié)語

通過有限元軟件Abaqus，建立了高支模墻柱支撐系統(tǒng)有限元模型，以某地鐵站高支模為例，對不同支撐桿件參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論。

1）通過有限元方法可簡化計(jì)算過程，相比目前常用的結(jié)構(gòu)力學(xué)簡化計(jì)算方法，計(jì)算速度快，效率高。

2）經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，常規(guī)地鐵站站臺(tái)墻柱模板支撐體系中，在不考慮參數(shù)之間相互耦合的情況下，可能明確得出每種參數(shù)在滿足規(guī)范要求的前提下最經(jīng)濟(jì)合理數(shù)據(jù)?？蔀轭愃乒こ淌┕ぴO(shè)計(jì)提供一定參考。