兩段式預制墻板安裝用斜支撐的承載力計算及其有限元分析

李 永 超

(山東大學，山東 濟南 250061)

1 概述

預制墻板是裝配式建筑的一大重要部件，在現場安裝時，如何便捷、高效的實現預制墻板的固定，同時保證墻板固定后不發生微小晃動，是目前許多業內人士正在著力解決的一大難題。同時，現有的用于預制墻板安裝的斜支撐，大多安裝繁瑣，需要在墻板定位后，但未與結構主體實現可靠連接前，由工人借助梯子或者其他工具，攀爬到墻板上部2/3位置處，進行斜支撐的安裝。不但繁瑣耗時，而且具有一定的危險性。本文所研究的斜支撐，為兩段式的斜支撐，其上部構件可隨預制墻板一同吊裝，當墻板吊裝到指定位置后，將其與下部構件連接在一起，即可完成斜支撐的安裝工作。方便，快捷，同時為墻板安裝工人的安全提供了保障。

2 支撐設計

根據實際工程中，預制裝配式墻板在安裝過程中對支撐的輔助功能的需求，設計了如圖1所示的墻板斜支撐。該斜支撐由第一伸縮桿、第二伸縮桿、第一固定支座和第二固定支座組成。連接伸縮桿與支座之間的插銷，采用機械精密加工的方式，控制其直徑與插銷孔孔徑的差值在0.1 mm左右，以保證墻板固定后不發生微小晃動。伸縮桿由上下套桿以及中部絲桿組成，中部絲桿設置為雙向反絲，通過旋轉中部絲桿，可實現伸縮桿的伸縮。第一伸縮桿可對預制墻板的豎直度進行精確調節，第二伸縮桿可對預制墻板的水平位置進行精確調節。使用時，在墻板吊裝前，先將第一支座連同第一伸縮桿的上部套桿安裝在墻板上。這樣，安裝在墻板上的上部套桿就能隨墻板一同被吊裝到指定位置。當墻板吊裝到指定位置后，無需借助攀爬工具，就可完成斜支撐的安裝。如此，就改變了以往預制墻板安裝時，需要在其未固定前借助梯子等工具攀爬到高處安裝斜支撐的方式，既實現了高效，又為工人的安全提供了保障。

3 承載力計算

斜支撐在使用過程中，會由于墻板存在一定的傾角或風的影響而受到力的作用。伸縮桿的兩端為鉸接，所以伸縮桿只受到軸向力的作用。伸縮桿為細長壓桿，根據壓桿穩定的原理，細長壓桿受壓達到屈服前，就會產生失穩破壞。由兩端鉸支細長壓桿的歐拉公式[1]，可以得到伸縮桿發生失穩破壞時的臨界壓力Fcr，如式(1)所示：

(1)

其中，E為彈性模量；I為伸縮桿橫截面慣性矩；l為伸縮桿的長度。

由式(1)可以看出，伸縮桿的臨界壓力主要由伸縮桿的長度和伸縮桿上最小的截面慣性矩決定。伸縮桿的長度由預制墻板的高度以及支撐與墻板之間的夾角決定。設計時，伸縮桿長度可調整幅度不大。相較于長度，伸縮桿上的截面慣性矩則更容易進行調整。需要注意的是，設置于伸縮桿中部的絲桿起到連接上下套桿的作用，相比于上下套桿，絲桿的長度短，制作時耗材少。因此，設計時，應保證絲桿的截面慣性矩不小于套桿的截面慣性矩，以保證制作材料的充分利用。

下面根據工程中常用的預制墻板斜支撐的使用情況，計算給出伸縮桿的設計建議值。選取預制墻板的長度為3.5 m，高度為4.5 m，厚度為0.3 m，墻體無填充，墻體密度2 500 kg/m3，則墻體實際所受重力作用為118.13 kN。預制混凝土墻板臨時支撐時，自重應乘以動力系數1.2[2]，故計算時，預制墻板的重力取為141.76 kN。第一伸縮桿與墻板連接處為墻板高度2/3的位置(與墻板底部距離為3 m)，同時為便于計算，第一伸縮桿的長度取為3 m。設定墻板的最大傾角為45°，且忽略第二伸縮桿的作用，則單根第一伸縮桿所受的軸壓力為50.12 kN。根據式(1)以及慣性矩I的計算公式[1]，并考慮伸縮桿在使用過程中的安全性，建議第一伸縮桿制作時，套桿的外徑取65 mm，內徑取55 mm，絲桿的直徑與套桿內徑保持一致,伸縮桿的制作材料選用Q235鋼材。第二伸縮桿的套桿的直徑可與第一伸縮桿保持一致，也可根據需要，進行適當的縮減。如此設計的第一伸縮桿的承載能力為96.32 kN，完全可以滿足斜支撐在使用過程中的各項要求。

4 有限元分析

采用有限元分析軟件ABAQUS對上文所設計的斜支撐的受力情況進行分析，計算預制墻板傾斜15°，30°和45°時斜支撐上的應力分布。因為斜支撐在使用過程中，其第一伸縮桿承擔了大部分的壓力，故分析時設定斜支撐受到的所有壓力均由第一伸縮桿承擔。對應于墻板傾斜15°,30°和45°的情景，第一伸縮桿所承擔的壓力分別為36.69 kN,40.92 kN和50.12 kN。對第一伸縮桿進行建模分析，模型根據上文中的建議尺寸進行建立，并采用C3D8R實體單元進行網格劃分。具體尺寸為：第一伸縮桿總長3 m，上下套桿長度均為1.25 m，中間絲桿長0.5 m(兩端各伸入套桿0.1 m)，上下兩端連接桿長0.2 m(伸入套桿0.1 m)。套桿的外徑取65 mm，內徑取55 mm，絲桿的直徑與套桿內徑保持一致。

建立模型所用的Q235b鋼材的單調拉伸應力—應變關系是在試驗室進行單調拉伸試驗得到的。而在ABAQUS中，不能直接輸入材性試驗所得到的鋼材本構關系，應當按照式(2)進行換算后輸入[3]。試驗得到的鋼材的名義應力—應變關系以及換算后的實際應力—應變關系見表1。

(2)

其中，σ為真實應力;ε為真實應變;σnom為名義應力;εnom為名義應變。

表1 Q235b鋼材單調拉伸本構模型參數

有限元計算中材料采用Von Mises屈服準則及相關流動法則[4]，同時為簡化計算，對絲杠上的螺紋進行了簡化。第一伸縮桿的底部和頂部均設置為鉸接，但不約束其頂部的豎向位移，并在頂部施加豎向荷載。網格劃分完成后的有限元模型如圖2所示。

分析完成后，伸縮桿的應力云圖分布如圖3所示，從圖3可以看出，本文所研究的第一伸縮桿在預制墻板傾角為15°，30°和45°時，桿上最大應力分別為41.66 MPa，46.47 MPa和56.92 MPa，所有單元均保持在彈性范圍內，受力合理，穩定可靠。本文所研究的斜支撐可以很好的適用于預制裝配式墻板的安裝固定工作。

5 結語

本文根據裝配式墻板安裝過程中的實際需要，提出了一種兩段式的輔助預制墻板安裝用的斜支撐。依據斜支撐在使用過程中的受力情況，給出了斜支撐承載能力的理論計算公式，同時給出了斜支撐主要受力構件的建議設計尺寸，并采用有限元分析軟件ABAQUS對墻板傾斜15°，30°和45°時，第一伸縮桿的受力情況進行了分析。總結本文內容，得到如下結論：

1)此種斜支撐的上部套桿可隨預制墻板一同吊裝，改變了以往需要借助梯子等輔助工具安裝斜支撐的方式，極大地降低了墻板安裝過程中的危險性，為工人施工過程中的安全提供了保障。2)通過對連接伸縮桿與支座之間的插銷采用機械精密加工，控制其直徑與插銷孔孔徑的差值在0.1 mm以內，可以有效的保證預制墻板固定后不發生微小晃動，從而滿足其在安裝過程中的穩定性要求。3)根據斜支撐承載力的理論計算公式，本文給出了其主要受力構件的設計尺寸建議，可為其在今后工程中的應用提供參考和依據。4)采用ABAQUS分析軟件對斜支撐主要受力構件的三種受力情況進行了分析，根據分析結果，其主要受力構件第一伸縮桿在使用過程中，始終保持彈性，受力合理，穩定可靠。