自密实混凝土拱形结构脚手架的力学性能研究

韩康康

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司,安徽 合肥 230011)

0 引言

在建筑的发展过程中,拱形结构占有重要位置。拱形结构整体性强、造型优美、受力合理,是常见的结构形式之一。此外,拱形结构可以在跨越几百米的同时,给建筑内部留出大面积使用空间[1],故在建筑结构的设计中被广泛使用。

随着现代科技的进步,新材料不断涌现,人们对拱结构的认识也在逐步深入。在拱结构的建造过程中,由于其自身复杂的结构和密实的配筋,对混凝土的浇筑和振捣造成了极大的困难,如果浇筑不好,则容易引发质量问题。传统意义上的混凝土已经不能满足拱形结构对于更大跨度和更大空间的需求,解决上述问题的一个有效手段是配置高性能自密实混凝土[2]。自密实混凝土具有较高的流动性、均匀性以及稳定性,在浇筑时不需要外力进行振捣,能够通过自重作用流动并充满模板空间,从而达到较好的施工效果。

韩国建等[3]对新型三维波纹钢拱形结构进行了两种荷载工况条件下的计算分析,总结了此类拱形结构的受力性能和相关规律。王丹等[4]通过有限差分数值模拟手段,分析了无柱拱形结构的受力特征,得出拱形结构顶板因无柱支撑从而导致弯矩较大并给予相应建议。王晓孝等[5]以波纹钢安装为背景,计算分析了波纹钢屋盖结构在吊装时的受力性能,讨论给出了波纹钢吊装过程中的薄弱部位及施工建议,为波纹钢现场施工提供了理论依据和重要参考。但是对于拱形结构的施工过程,有关脚手架结构的内力分析及施工安全等方面尚未深入研究。

脚手架失稳坍塌[6-7],究其原因,主要有以下几点:脚手架搭设前未经认真分析计算,部分施工荷载没有充分考虑;脚手架计算的理论模型与实际受力状况不相符,而理论模型的计算公式、简化假定等与实际情况相差较多;脚手架使用的材料达不到设计要求等。

本文以某拱形空间结构为背景,通过有限元数值仿真手段,探究了其施工阶段脚手架的安全性、稳定性,以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

某拱形空间结构采用新材料C60自密实混凝土浇筑而成,主要分为连拱和单拱两部分。

连拱的主体为直墙拱结构,库净跨18 m,拱顶净高7.5 m,直墙净高2.8 m,长度为34 m。具体布置为双通道4连跨1组,单通道两连跨7组,双通道两连跨9组。在连拱内侧设置3 mm厚双向余弦三维波纹钢板[8]作为防震塌钢板,双向余弦三维波纹钢板不仅自身承载力更高、截面刚度更大,而且与混凝土复合后的截面材料利用更充分,抗震塌性能更好。单拱结构截面形式基本相同,均为库净跨18 m,拱顶净高7.5 m,直墙净高2.5 m。新型材料C60高性能自密实混凝土,选取适当配合比,添加了钢纤维等特殊组分,28 d抗压强度为71.5 MPa,坍落扩展度达700 mm,在保证高强度的同时,具有较高的和易性。拱形结构施工现场脚手架布置如图1所示。

对于库体标准段脚手架,每榀波纹钢板拱带共设置13道立杆,将波纹钢板弧长等分14份,作为13道立杆的顶部横向间距,立杆呈扇形布置;立杆纵向间距为0.825 m;支架竖向标准步距为1.5 m,顶部立杆悬挑过长处,添加水平杆增加稳定性,每道水平杆与立杆连接处均增设一道纵向通长水平杆;底层扫地杆距地面15 cm;立杆下垫50 mm×200 mm方木,方木横向摆放,脚手架规格为φ48×2.75 mm钢管,具体布置如图2,图3所示。

2 拱形结构数值分析

为了研究拱形结构施工阶段脚手架的受力性能和稳定性,本文采用ANSYS有限元软件对其精细化建模,进行静力性能分析。

因为施工现场的脚手架属于复杂的空间受力体系,故在对其建模分析时,不考虑脚手架的沉降;忽略竖向荷载的偏心和不垂直影响;连墙件简化成一个线位移刚性约束。

2.1 数值模型建立

该拱形空间结构纵向延伸较长,不同位置处拱形结构有所不同,导致脚手架的布置存在差异,综合考虑将整段脚手架分为四部分,分别是库体标准段脚手架、库体头部无波纹钢段脚手架、门框墙处脚手架以及通道部位门框处脚手架,其中以库体标准段脚手架为主。

本文将对上述四部分拱形结构的脚手架进行数值模拟,探究其施工阶段的静力性能及稳定性。以库体标准段脚手架为例,对建模过程进行详细介绍。

2.2 模型及边界条件

本文采用结构荷载法对其进行力学性能分析和稳定性研究。在对库体标准段脚手架进行受力分析的过程中,为减小边界条件及施加荷载对结构受力的影响,基于圣维南原理,可将其简化为三榀钢架。

在计算模型中,脚手架单元采用Beam189来模拟,材料类型为Q235;拱形结构单元采用Shell181来模拟,材料类型为C60自密实混凝土,脚手架及拱形结构材料物理力学参数如表1所示。

表1 有限元模型材料参数设置

在建立的有限元模型中,将脚手架与地面接触部位设置为固结,由于混凝土拱结构变形较小,采用共节点的方式来模拟脚手架与拱形结构接触部分。对于作为支撑体系的脚手架,通过有限元计算分析其在竖向荷载作用下的内力特征时,横杆和立杆刚接,只需简单地将横杆的刚度进行折减,以此种方法来模拟接头的抗转刚度及横杆的抗弯刚度对立杆轴向变形的约束作用,而不必通过对节点使用约束方程等烦琐复杂的手段[9]。

采用上述方法所建立的有限元模型如图4所示。

2.3 荷载工况

在施工过程中,脚手架结构主要承受混凝土浇筑荷载、模板自重及施工荷载,按照《建筑结构荷载设计规范》中的相关要求施加。

混凝土浇筑厚度为0.85 m,荷载取21.25 kN/m;拱形结构混凝土浇筑模板自重取1 kN/m;施工荷载包括脚手架操作层上存放的材料、操作人员、施工工具等,综合考虑施工过程实际情况,施工荷载取2 kN/m。总荷载为24.25 kN/m,设计计算时按25 kN/m添加。荷载分项系数按活载考虑,系数取值1.5。

综合考虑拱形结构各节段的受力状态,分别选取混凝土对称浇筑完成至拱顶、混凝土对称浇筑完成至拱圈一半以及混凝土先浇筑完成至拱圈一半等三个施工荷载工况进行分析,为便于后文分析,按顺序依次将其命名为工况一至工况三,如图5所示。

分别对三种工况作用下,拱形结构各节段脚手架的受力性能和稳定性进行研究。

3 静力性能分析

本文采用ANSYS有限元软件建立拱形结构施工阶段脚手架的空间精细化有限元模型,选取三种荷载工况,对脚手架进行数值模拟计算,分析主体结构受力特性及安全性。

3.1 应力

通过对各节段脚手架施工过程进行仿真计算,得到了各工况作用下结构应力分布。如图6所示为库体标准段脚手架在工况一作用下脚手架主应力图。

由图6可见,脚手架整体应力分布较为均匀,最大为43.6 MPa,出现在高层横杆位置处,远小于钢材强度设计值。

依次对四个节段脚手架有限元模型分析计算,得到在三种工况作用下脚手架主应力,如图7所示。

库体标准段脚手架在三种工况作用下,脚手架主应力均小于其余节段脚手架。其在工况二作用下,主应力为56 MPa,对比工况一作用,施加荷载降低50%,应力值提高27.3%;在工况三作用下,主应力为75 MPa,对比工况二作用,施加荷载降低50%,应力值提高33.9%。

库体头部无波纹钢段脚手架在三种工况作用下,脚手架主应力均大于其余节段脚手架。其在工况二作用下,主应力为99 MPa,对比工况一作用,施加荷载降低50%,应力值提高12.5%;在工况三作用下,主应力为117 MPa,对比工况二作用,施加荷载降低50%,应力值提高18.1%。

对于同一个节段的脚手架模型而言,工况一作用下主应力值最小,工况三作用下主应力值最大,即混凝土单边浇筑至拱圈一半时为最不利荷载工况;对于在同一种荷载工况作用下,库体头部无波纹钢段脚手架的主应力值最大,库体标准段脚手架的主应力值最小。

由图7可知,在整个施工过程中,整段脚手架主应力最大值为117 MPa,出现在荷载工况三作用下的库体头部无波纹钢段脚手架,小于Q235钢材的设计强度值215 MPa。

总体而言,该拱形结构各节段脚手架整体偏于安全,同时,在施工过程中应尽量保证混凝土对称浇筑,以避免最不利荷载工况的出现。库体头部无波纹钢段脚手架应力值普遍偏大,应在设计施工过程中予以重点关注,必要时采取一定控制措施,如减小支架竖向标准步距、增加立杆数量等。

3.2 稳定性

脚手架属于杆系结构,其稳定性一般通过长细比来考虑,如式(1)所示。对于受压构件,如果长细比较小,则通常发生强度破坏;如果长细比较大,则极易出现屈曲失稳现象,这将对整个结构的稳定性造成极其严重的影响,应尽量避免结构构件发生此类现象。因此脚手架除了需满足强度条件外,还需要考虑屈曲失稳现象[10]。

限制受压构件的长细比是为了防止构件发生失稳现象,即屈曲。根据《钢结构设计标准》规定,对于轴心受压柱、桁架和天窗架中的压杆,容许长细比为150。

(1)

其中,λ为长细比;μ为长度因数;ix为截面回转半径。

脚手架钢管规格为φ48×2.75 mm,截面回转半径见式(2):

(2)

则按照规范要求,脚手架最大容许长度见式(3):

l=λix=150×1.6=240 cm=2.4 m

(3)

各节段脚手架构件最大计算长度如表2所示,其中受压构件最大计算长度出现在库体标准段,最大值为2.0 m,小于规范规定的最大容许长度。

表2 脚手架最大计算长度表

该拱形结构各节段脚手架的稳定性满足要求,不容易发生屈曲失稳现象。影响脚手架结构稳定性的因素较多,立杆截面尺寸、构件计算长度以及节点约束条件等。这就要求在脚手架设计时,必须充分考虑脚手架杆件的线刚度是否满足计算μ值的相应要求,同时在脚手架施工时,必须严格控制实际使用荷载、确保架体搭设质量。

4 结论

本文以某拱形空间结构施工过程为依托,通过有限元数值模拟,计算分析了拱形结构脚手架在施工过程中的受力特征及稳定性,并探究了新材料C60高性能自密实混凝土的施工性能,得到以下结论:

1)由结构计算可知,最不利荷载情况下,脚手架支撑产生的最大应力均小于Q235钢材的设计强度值,该拱形结构各节段脚手架整体偏于安全,同时,在施工过程中应尽量保证混凝土对称浇筑,以避免最不利荷载工况的出现。库体头部无波纹钢段脚手架应力值普遍偏大,应在设计施工过程中予以重点关注。

2)脚手架在满足强度的同时,还应注意避免脚手架构件出现屈曲失稳现象。通过计算分析,该拱形结构各节段脚手架的稳定性满足要求。但需注意,影响脚手架结构稳定性的因素较多,立杆截面尺寸、构件计算长度以及节点约束条件等。这就需要在脚手架施工过程中必须严格控制实际使用荷载,确保架体搭设质量。

3)该大跨空间结构采用C60高性能自密实混凝土,施工过程更为简便快捷,效果良好,可为类似工程提供借鉴。