吊籃鋼軌結(jié)構(gòu)受力的有限元分析

曾 峰

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院，廣東廣州510000）

1 吊裝鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.1 計(jì)算說明

以吊籃鋼結(jié)構(gòu)作為計(jì)算對象，通過計(jì)算結(jié)果確定鋼結(jié)構(gòu)和連接節(jié)點(diǎn)是否滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)吊籃鋼結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)出計(jì)算模型，進(jìn)行桿件分析和計(jì)算。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q235 B。分析校核此結(jié)構(gòu)，首先在AUTOCAD中建立三維模型圖，然后導(dǎo)入有限元計(jì)算軟件ANSYS 10.0，以Beam單元來模擬鋼結(jié)構(gòu)，并在單元上施加荷載，結(jié)構(gòu)自重由軟件自行計(jì)入然后進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算，最終確定鋼構(gòu)件的截面尺寸以及結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式。鋼結(jié)構(gòu)采用剛接節(jié)點(diǎn)連接，前端連接鋼絲繩固定到土建結(jié)構(gòu)上[1]。

1.2 截面參數(shù)及材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)截面的幾何參數(shù)如下：

懸挑鋼框采用工型鋼：16#工字鋼；

前端橫向鋼梁采用工字鋼：18#工字鋼；鋼絲繩采用6×19鋼絲繩：直徑14 mm。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2017），結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如下：

型材采用Q235碳鋼（0＜t≤16），楊氏彈性模量：E=2.06×105N/mm2；

抗拉、壓、彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fy=215 N/mm2；

抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fy=125 N/mm2；

局部承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fce=325 N/mm2。

1.3 荷載分析

在吊裝過程中，吊裝材料荷載和吊裝人員荷載均為6.0 kN，考慮動(dòng)荷載系數(shù)1.1，荷載分項(xiàng)取值為1.35，則吊裝鋼結(jié)構(gòu)承受的荷載為F=1.35×1.1×6.0=8.91 kN[2]。圖1所示為結(jié)構(gòu)力學(xué)模型圖，圖2所示為結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。

圖1 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型圖（荷載作用到橫向鋼梁跨中位置）

圖2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（荷載作用到橫向鋼梁跨中位置）

1.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)論

結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力為：

所以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

鋼絲繩拉力為：

式中，α為鋼絲繩之間的荷載不均勻系數(shù)；Fg為鋼絲繩的容許拉力（kN）；K為鋼絲繩使用安全系數(shù)（根據(jù)《建筑施工計(jì)算手冊》第13.1.1.2）。

所以鋼絲繩承載力滿足要求。

2 鋼梁根部連接焊縫計(jì)算

挑出鋼架根部焊縫承受正應(yīng)力和剪應(yīng)力。

此處挑出鋼梁根部采用角焊縫，焊腳尺寸為8.0 mm，E43型焊條現(xiàn)場手工焊接，焊縫質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)，其抗拉、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為：ftb=160 N/mm2。

該節(jié)點(diǎn)上連接板根部焊縫處的最大外荷載大小為：

軸力：N=RFy=9 906.7 N；

剪力：V=RFx=5 312.0 N；

彎矩：Mz=4 774 600 N·mm。

則焊縫的強(qiáng)度為：

（1）正應(yīng)力：

（2）剪應(yīng)力：

焊縫還應(yīng)同時(shí)滿足下式：

所以焊縫滿足設(shè)計(jì)要求。

3 埋件計(jì)算

3.1 預(yù)埋件的強(qiáng)度分析

此處以預(yù)埋件作為計(jì)算對象，此埋件主要承受支反力。因此，此處將上述最大支反力作為埋件的外荷載對預(yù)埋件進(jìn)行計(jì)算[3]。

此處采用6根φ12錨筋固定，錨筋的材質(zhì)為HRB400，錨板的厚度為t=10 mm，此計(jì)算部位埋件所受的最大內(nèi)力為：

軸力：N=RFy=9 906.7 N；

剪力：V=RFx=5 312.0 N；

彎矩：Mz=4 774 600 N·mm。

預(yù)埋件的集合特性計(jì)算：

混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：C30fc=14.3 MPa；混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：C30ft=1.43 MPa；錨筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fy=300 MPa；錨板的厚度：t=10 mm；錨筋直徑：d=12 mm；錨筋數(shù)量：n=6；錨筋的外形系數(shù)：α=0.14；外層錨筋中心線的距離Z=100 mm；錨筋層數(shù)影響系數(shù)：αr=1.0。

錨筋的受剪承載力系數(shù)：

錨板的彎曲變形折減系數(shù)：

當(dāng)有剪力、法向拉力和彎距共同作用時(shí)，應(yīng)分別按下列公式計(jì)算，取兩者的最大值：

實(shí)際配筋面積：

所以設(shè)計(jì)的預(yù)埋件強(qiáng)度符合要求。

3.2 錨筋長度的計(jì)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）：

式中，α為錨筋的外形系數(shù)；fy為錨筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；d為錨筋直徑；ξ為錨筋長度的折減系數(shù)，ξ=0.6。

現(xiàn)配錨筋總面積A=678.584 mm2，錨筋長度為240 mm，滿足使用要求[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，此吊籃鋼軌結(jié)構(gòu)滿足工程使用要求。吊籃作為一種高空作業(yè)的建筑施工設(shè)備，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算與方案是從理論上去把握設(shè)備的使用狀態(tài)，當(dāng)施工中發(fā)現(xiàn)吊籃設(shè)備故障和安全隱患時(shí)，應(yīng)及時(shí)排除；可能危及人身安全時(shí)，必須停止作業(yè)，并由專業(yè)人員進(jìn)行維修；維修后的吊籃應(yīng)重新進(jìn)行驗(yàn)收檢查，合格后方可使用。