超大懸挑雨篷施工過程變形仿真技術分析

陳澤賢 胡心焰 黃子佳 李文祥 李 進

(武漢建工集團股份有限公司，湖北 武漢 430056)

1 概述

隨著梅雨季節的到來，部分地區出現了持續性的強降水，惡劣的天氣導致全國各地發生了多起雨篷坍塌事件。因此，對雨篷的結構安全性提出了更高的要求，研究雨篷結構各工況下位移變化變形規律，可對鋼結構雨篷的受力體系進行優化，最大限度減小鋼結構雨篷的變形，保證結構的穩定性與強度。

武漢某項目主體結構超大懸挑鋼結構雨篷采用大懸挑H型鋼梁結構，其一端錨固在主體結構梁上，另一端由四根鋼管拉結并分別錨固在主體結構的四個框架柱上。為了便于在施工過程中了解雨篷鋼結構的變形位移以及最大程度減小雨篷結構對主體結構梁的負載，采用計算機仿真技術模擬鋼構雨篷的施工過程及其位移應力的變化，并采取相應的措施控制鋼構雨篷的最大變形及對錨固梁的影響。

2 關鍵技術應用

2.1 計算機監控仿真技術

工程采用大型有限元軟件ABAQUS進行施工過程的仿真模擬。ABAQUS被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，可以分析復雜的固體力學結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大復雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析，同時還可以做系統級的分析和研究。

2.2 雨篷關鍵節點仿真模擬

在計算機仿真分析中，對結構邊界條件以及構件節點之間的準確模擬是計算結果準確性的重要保證。根據設計圖紙，雨篷結構關鍵節點有兩處，一處為雨篷主梁與拉桿之間的鉸接，另外一處為雨篷主梁與主體結構柱及梁的錨接。鉸接就是允許連接桿可以繞x，y，z三個坐標軸任意方向轉動但約束三個坐標軸方向的位移。在雨篷的安裝過程中由于錨接件是采用高強度膨脹螺栓及轉接鋼板對雨篷主梁及主體結構進行連接的，當主體結構梁有較強的抗扭剛度時，可認為錨接為剛性連接。剛性連接即約束連接梁位于該連接點的6個位移自由度[1]，如圖1所示。

2.3 雨篷安裝過程支點的分布

按雨篷安裝開始前，必須根據PKPM軟件對腳手架的承載力進行驗算，驗算結果滿足要求方可進行腳手架的架設施工，如圖2所示。根據雨篷結構的特點，在不影響安裝施工的前提下合理分布支撐點，故支承點不應與雨篷結構的節點位置重合[2]，施工方案的支承點分布如圖3所示。在建模分析中，為了提高分析效率，腳手架對雨篷的支承模擬采用點位約束，即不建立腳手架模型，對支承點位置進行移位約束來模擬支承作用。

2.4 雨篷的安裝流程及仿真工況劃分

雨篷的安裝施工流程為：錨點及腳手架定位放線→腳手架架設→腳手架承載力試驗→雨篷主梁安裝→錨點焊接緊固、檢查雨篷橫梁安裝→拉桿安裝→抗拉拔試驗→玻璃板安裝→腳手架拆除[3]。

根據雨篷重力荷載以及邊界條件的變化，仿真過程分為5個工況來分析，如表1所示。

在工況4中，玻璃板的安裝僅僅是增加了雨篷結構的受力荷載，因此出于簡化模型及提高分析效率的考慮，采用等效重力荷載均勻分布于雨篷主梁和橫梁上來替代玻璃板對雨篷結構的作用影響，見圖4。

表1 5個工況情況說明

2.5 變形仿真結果

通過計算機仿真技術，能對鋼結構雨篷施工過程中位移變化進行模擬及預測，如果變形位移超出設計要求，則可在施工前進行受力體系的優化和更改，直到滿足設計要求才可進行具體的安裝施工，保證雨篷施工的安全和質量[4]，如圖5所示。

3 創新點

采用計算機仿真技術對超大懸挑鋼結構雨篷施工過程變形監控進行仿真模擬，可清楚了解施工過程中鋼結構雨篷各主要部位的變形特點及位移大小，能指導設計人員對鋼結構雨篷的受力體系進行優化及局部連接點的改進，最大限度減小鋼結構雨篷的變形，保證結構的穩定性與強度，見表2。

表2 工況1、工況4、工況5關鍵部位最大位移表

4 實施效果及經濟效益

武漢某項目主體結構超大懸挑鋼結構雨篷施工采用計算機仿真技術，各工況的位移變化符合實際變形規律，其仿真結果能有效指導施工人員的作業以及提高施工過程中的安全性，同時也驗證了工程施工設計方案的可行性和安全性，較少施工過程中的返工及現場試驗操作，節約施工成本，同時也能為類似的工程提供有效的參考。