自密實混凝土拱形結構腳手架的力學性能研究

韓康康

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司,安徽 合肥 230011)

0 引言

在建筑的發(fā)展過程中,拱形結構占有重要位置。拱形結構整體性強、造型優(yōu)美、受力合理,是常見的結構形式之一。此外,拱形結構可以在跨越幾百米的同時,給建筑內部留出大面積使用空間[1],故在建筑結構的設計中被廣泛使用。

隨著現(xiàn)代科技的進步,新材料不斷涌現(xiàn),人們對拱結構的認識也在逐步深入。在拱結構的建造過程中,由于其自身復雜的結構和密實的配筋,對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)質量問題。傳統(tǒng)意義上的混凝土已經(jīng)不能滿足拱形結構對于更大跨度和更大空間的需求,解決上述問題的一個有效手段是配置高性能自密實混凝土[2]。自密實混凝土具有較高的流動性、均勻性以及穩(wěn)定性,在澆筑時不需要外力進行振搗,能夠通過自重作用流動并充滿模板空間,從而達到較好的施工效果。

韓國建等[3]對新型三維波紋鋼拱形結構進行了兩種荷載工況條件下的計算分析,總結了此類拱形結構的受力性能和相關規(guī)律。王丹等[4]通過有限差分數(shù)值模擬手段,分析了無柱拱形結構的受力特征,得出拱形結構頂板因無柱支撐從而導致彎矩較大并給予相應建議。王曉孝等[5]以波紋鋼安裝為背景,計算分析了波紋鋼屋蓋結構在吊裝時的受力性能,討論給出了波紋鋼吊裝過程中的薄弱部位及施工建議,為波紋鋼現(xiàn)場施工提供了理論依據(jù)和重要參考。但是對于拱形結構的施工過程,有關腳手架結構的內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:腳手架搭設前未經(jīng)認真分析計算,部分施工荷載沒有充分考慮;腳手架計算的理論模型與實際受力狀況不相符,而理論模型的計算公式、簡化假定等與實際情況相差較多;腳手架使用的材料達不到設計要求等。

本文以某拱形空間結構為背景,通過有限元數(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,以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

某拱形空間結構采用新材料C60自密實混凝土澆筑而成,主要分為連拱和單拱兩部分。

連拱的主體為直墻拱結構,庫凈跨18 m,拱頂凈高7.5 m,直墻凈高2.8 m,長度為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。在連拱內側設置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,而且與混凝土復合后的截面材料利用更充分,抗震塌性能更好。單拱結構截面形式基本相同,均為庫凈跨18 m,拱頂凈高7.5 m,直墻凈高2.5 m。新型材料C60高性能自密實混凝土,選取適當配合比,添加了鋼纖維等特殊組分,28 d抗壓強度為71.5 MPa,坍落擴展度達700 mm,在保證高強度的同時,具有較高的和易性。拱形結構施工現(xiàn)場腳手架布置如圖1所示。

對于庫體標準段腳手架,每榀波紋鋼板拱帶共設置13道立桿,將波紋鋼板弧長等分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;支架豎向標準步距為1.5 m,頂部立桿懸挑過長處,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一道縱向通長水平桿;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 拱形結構數(shù)值分析

為了研究拱形結構施工階段腳手架的受力性能和穩(wěn)定性,本文采用ANSYS有限元軟件對其精細化建模,進行靜力性能分析。

因為施工現(xiàn)場的腳手架屬于復雜的空間受力體系,故在對其建模分析時,不考慮腳手架的沉降;忽略豎向荷載的偏心和不垂直影響;連墻件簡化成一個線位移剛性約束。

2.1 數(shù)值模型建立

該拱形空間結構縱向延伸較長,不同位置處拱形結構有所不同,導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,分別是庫體標準段腳手架、庫體頭部無波紋鋼段腳手架、門框墻處腳手架以及通道部位門框處腳手架,其中以庫體標準段腳手架為主。

本文將對上述四部分拱形結構的腳手架進行數(shù)值模擬,探究其施工階段的靜力性能及穩(wěn)定性。以庫體標準段腳手架為例,對建模過程進行詳細介紹。

2.2 模型及邊界條件

本文采用結構荷載法對其進行力學性能分析和穩(wěn)定性研究。在對庫體標準段腳手架進行受力分析的過程中,為減小邊界條件及施加荷載對結構受力的影響,基于圣維南原理,可將其簡化為三榀鋼架。

在計算模型中,腳手架單元采用Beam189來模擬,材料類型為Q235;拱形結構單元采用Shell181來模擬,材料類型為C60自密實混凝土,腳手架及拱形結構材料物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模型材料參數(shù)設置

在建立的有限元模型中,將腳手架與地面接觸部位設置為固結,由于混凝土拱結構變形較小,采用共節(jié)點的方式來模擬腳手架與拱形結構接觸部分。對于作為支撐體系的腳手架,通過有限元計算分析其在豎向荷載作用下的內力特征時,橫桿和立桿剛接,只需簡單地將橫桿的剛度進行折減,以此種方法來模擬接頭的抗轉剛度及橫桿的抗彎剛度對立桿軸向變形的約束作用,而不必通過對節(jié)點使用約束方程等煩瑣復雜的手段[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

在施工過程中,腳手架結構主要承受混凝土澆筑荷載、模板自重及施工荷載,按照《建筑結構荷載設計規(guī)范》中的相關要求施加。

混凝土澆筑厚度為0.85 m,荷載取21.25 kN/m;拱形結構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,綜合考慮施工過程實際情況,施工荷載取2 kN/m?？偤奢d為24.25 kN/m,設計計算時按25 kN/m添加。荷載分項系數(shù)按活載考慮,系數(shù)取值1.5。

綜合考慮拱形結構各節(jié)段的受力狀態(tài),分別選取混凝土對稱澆筑完成至拱頂、混凝土對稱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施工荷載工況進行分析,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。

分別對三種工況作用下,拱形結構各節(jié)段腳手架的受力性能和穩(wěn)定性進行研究。

3 靜力性能分析

本文采用ANSYS有限元軟件建立拱形結構施工階段腳手架的空間精細化有限元模型,選取三種荷載工況,對腳手架進行數(shù)值模擬計算,分析主體結構受力特性及安全性。

3.1 應力

通過對各節(jié)段腳手架施工過程進行仿真計算,得到了各工況作用下結構應力分布。如圖6所示為庫體標準段腳手架在工況一作用下腳手架主應力圖。

由圖6可見,腳手架整體應力分布較為均勻,最大為43.6 MPa,出現(xiàn)在高層橫桿位置處,遠小于鋼材強度設計值。

依次對四個節(jié)段腳手架有限元模型分析計算,得到在三種工況作用下腳手架主應力,如圖7所示。

庫體標準段腳手架在三種工況作用下,腳手架主應力均小于其余節(jié)段腳手架。其在工況二作用下,主應力為56 MPa,對比工況一作用,施加荷載降低50%,應力值提高27.3%;在工況三作用下,主應力為75 MPa,對比工況二作用,施加荷載降低50%,應力值提高33.9%。

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

對于同一個節(jié)段的腳手架模型而言,工況一作用下主應力值最小,工況三作用下主應力值最大,即混凝土單邊澆筑至拱圈一半時為最不利荷載工況;對于在同一種荷載工況作用下,庫體頭部無波紋鋼段腳手架的主應力值最大,庫體標準段腳手架的主應力值最小。

由圖7可知,在整個施工過程中,整段腳手架主應力最大值為117 MPa,出現(xiàn)在荷載工況三作用下的庫體頭部無波紋鋼段腳手架,小于Q235鋼材的設計強度值215 MPa。

總體而言,該拱形結構各節(jié)段腳手架整體偏于安全,同時,在施工過程中應盡量保證混凝土對稱澆筑,以避免最不利荷載工況的出現(xiàn)。庫體頭部無波紋鋼段腳手架應力值普遍偏大,應在設計施工過程中予以重點關注,必要時采取一定控制措施,如減小支架豎向標準步距、增加立桿數(shù)量等。

3.2 穩(wěn)定性

腳手架屬于桿系結構,其穩(wěn)定性一般通過長細比來考慮,如式(1)所示。對于受壓構件,如果長細比較小,則通常發(fā)生強度破壞;如果長細比較大,則極易出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象,這將對整個結構的穩(wěn)定性造成極其嚴重的影響,應盡量避免結構構件發(fā)生此類現(xiàn)象。因此腳手架除了需滿足強度條件外,還需要考慮屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象[10]。

限制受壓構件的長細比是為了防止構件發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,即屈曲。根據(jù)《鋼結構設計標準》規(guī)定,對于軸心受壓柱、桁架和天窗架中的壓桿,容許長細比為150。

(1)

其中,λ為長細比;μ為長度因數(shù);ix為截面回轉半徑。

腳手架鋼管規(guī)格為φ48×2.75 mm,截面回轉半徑見式(2):

(2)

則按照規(guī)范要求,腳手架最大容許長度見式(3):

l=λix=150×1.6=240 cm=2.4 m

(3)

各節(jié)段腳手架構件最大計算長度如表2所示,其中受壓構件最大計算長度出現(xiàn)在庫體標準段,最大值為2.0 m,小于規(guī)范規(guī)定的最大容許長度。

表2 腳手架最大計算長度表

該拱形結構各節(jié)段腳手架的穩(wěn)定性滿足要求,不容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。影響腳手架結構穩(wěn)定性的因素較多,立桿截面尺寸、構件計算長度以及節(jié)點約束條件等。這就要求在腳手架設計時,必須充分考慮腳手架桿件的線剛度是否滿足計算μ值的相應要求,同時在腳手架施工時,必須嚴格控制實際使用荷載、確保架體搭設質量。

4 結論

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

1)由結構計算可知,最不利荷載情況下,腳手架支撐產生的最大應力均小于Q235鋼材的設計強度值,該拱形結構各節(jié)段腳手架整體偏于安全,同時,在施工過程中應盡量保證混凝土對稱澆筑,以避免最不利荷載工況的出現(xiàn)。庫體頭部無波紋鋼段腳手架應力值普遍偏大,應在設計施工過程中予以重點關注。

2)腳手架在滿足強度的同時,還應注意避免腳手架構件出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。通過計算分析,該拱形結構各節(jié)段腳手架的穩(wěn)定性滿足要求。但需注意,影響腳手架結構穩(wěn)定性的因素較多,立桿截面尺寸、構件計算長度以及節(jié)點約束條件等。這就需要在腳手架施工過程中必須嚴格控制實際使用荷載,確保架體搭設質量。

3)該大跨空間結構采用C60高性能自密實混凝土,施工過程更為簡便快捷,效果良好,可為類似工程提供借鑒。