吊車運行下鋼施工平臺力學性能有限元分析

楊曉奇 廖 意 何澤瑜 高 官 張士順

1.中鐵建設集團南方工程有限公司 廣東 廣州 511400

2.暨南大學力學與建筑工程學院“重大工程災害與控制”教育部重點實驗室 廣東 廣州 510632

1 概述

水上施工平臺是水利工程施工的臨時或永久工作平臺，具有穩固安全、使用方便等優點，是作為人員施工、大型機械設備工作、材料堆放，或后期運營等的主要場所，是沿海、沿江建筑施工的重要組成部分[1]。為便于施工搭設和適應水中環境施工，水上施工平臺通常優選鋼結構，同時由于其在受到變化荷載作用以及吊車等重載作用，因此需要保證其具有足夠的安全性和適用性[2， 3]。

本文以澳門南灣湖1號名勝世界(金銀島酒店)水上施工鋼平臺為例子，采用有限元仿真軟件ABAQUS建立相關有限元模型，考察不同工況下鋼平臺的受力變形情況，并與傳統的簡支梁計算方式進行對比，提出改進的建議。

2 有限元建模

鋼平臺的主要由鋼柱、主梁、次梁和鋼板四部分構件組成。其對應的截面性質、材料參數如表1所示。

表1 鋼平臺各組分構件材料性能指標

由于ABAQUS軟件能高效分析和模擬復雜非線性力學問題，在土木工程材料和結構中具有廣泛的應用[4]，本文采用該軟件進行鋼平臺運營受力情況有限元分析和討論。在工程有限元模型中采用一維梁單元模擬鋼柱、次梁和主梁，采用二維殼單元模擬鋼板。鋼材本構模型選用無強化段的理想的彈塑性模型。主梁、次梁與鋼柱之間選用焊接方式連接，因而界面選用固接方式關聯；同時鋼板主要支撐在次梁上，且沿垂直于次梁方向布置，因而鋼板在次梁處為固接且連續。這與實際工程情況相符。

3 載荷及工況分析

鋼平臺工作時，主要受結構自身重力、施工人員施工時產生的均布施工活荷載、吊車產生的荷載以及橫向荷載等。其中，吊車荷載為130噸，施工活荷載為3k N/m2，橫向荷載為3.714k N/m2，鋼板的面自重為1.57k N/m2，次梁的線自重為0.67kN/m，主梁的線自重為2.38kN/m，鋼柱的線自重為1.84k N/m。同時將調整系數考慮到荷載當中。其中，恒載安全系數為1.35，活載安全系數為1.5，動力荷載系數為1.2，材料系數為1.1。計算分析時，不同構件的最不利受力狀態由四種不同荷載工況產生，對應吊車不同狀況，各個工況對應的荷載如表2所示。

表2 工況對應的荷載

4 分析與討論

4.1 工況① 工況①是鋼板所對應的最不利荷載情況，由于鋼板直接支承于次梁上，因此主要考慮垂直于次梁方向的鋼板的彎矩，即Y方向的彎矩。有限元計算最大正彎矩(跨中)為13.86k N/m-1，最大的負彎矩(支座)為19.49kN/m-1。與傳統簡化相鄰次梁間鋼板的單跨簡支梁模型計算的方法相比，有限元方法計算的最大跨中彎矩偏小，但支座彎矩卻明顯偏大，這是由于傳統簡化計算沒有考慮支座的焊接，以及鋼板在次梁上連續而產生的固接作用對跨中彎矩的減小。同時由于吊車輪子的寬度相對于板的寬度較小，會在板上造成一定的集中作用，若簡化計算中認為吊車作用在板的寬度方向(即X方向)是均勻布置的，會低估了彎矩作用，但兩種方法的結果均符合驗算要求。其長邊方向的應力云圖以及鋼板在面外方向(即Z軸負方向)的位移云圖如圖2所示。鋼板的最大應力252.5MPa小于屈服應力275MPa，鋼板的最大撓度2.13mm小于允許撓度，因此構件是安全的。

圖2 工況①鋼板受力情況云圖

4.2 工況② 工況②對應次梁處于最不利荷載的情況，此時其中一邊的吊車輪子作用在次梁之上。次梁垂直于截面的彎矩云圖、位移云圖如圖4所示。從圖中看到每根次梁都會存在彎矩，這是因為不同的次梁之間會存在相互作用，彎矩會傳遞到其他次梁上，同時也會傳遞到不同跨中。有限元計算的最大正彎矩，即吊車直接作用的次梁的中間跨的跨中彎矩為297.07 kN/m-1；最大負彎矩，即支座彎矩為120.32kN/m-1，最大撓度為1.74 mm。與采用簡支梁模型計算的最大跨中彎矩和最大撓度對比，有限元計算中由于考慮了跨與跨、次梁與次梁的相互作用以及支座處固接等原因，因而彎矩較小。

圖4是最危險跨的支座應力云圖。對于節點而言，考慮主梁和次梁為焊縫的連接。從節點應力云圖可知主次梁的應力都較小，主要應力集中在焊縫中部上。可知在此種外力作用下，焊縫的最大應力為287.8MPa，小于其屈服荷載，構件是安全的。

圖3 工況②次梁受力情況云圖

圖4 最危險跨的支座應力云圖

4.3 工況③ 工況③對應主梁處于最不利荷載的情況，此時吊車的兩輪均落在主梁上方。此時主梁的軸向彎矩云圖、應力云圖、位移云圖以及截面應力云圖如圖5所示。此時主梁的最大正彎矩為1356.67k N/m-1，最大負彎矩為865.7k N/m-1。最大位移1.49mm。與工況②情況類似，有限元模型中主梁在支座端也為固接，亦存在相互作用，導致最大彎矩小于簡支梁模型計算的彎矩，但兩種方法正負彎矩之差近似，此時有限元計算主梁的最大應力為271.3MPa，遠小于鋼材S335的屈服強度。

圖5 工況③主梁受力情況云圖

4.4 工況④ 工況④對應鋼柱最不利荷載的情況，此時一個吊車輪位于鋼柱上方。由于鋼柱下端嵌入土中，因而認為其下端固接，而其自由端計算高度為12.4m。鋼柱的應力云圖、位移云圖如圖6所示。從圖中可知鋼柱的最大應力為275.8MPa，遠小于其屈服強度；鋼柱的位移為11.9mm，其強度和剛度均符合要求。

圖6 工況④鋼柱受力情況云圖

對于鋼柱而言，其破壞形式通常還包括屈曲失穩破壞。在不考慮鋼平臺的扭曲失穩的情況下，在ABAQUS中使用屈曲分析得到其第一、第二失穩模態，其中第一模態對應的為x軸方向、第二模態對應y軸方向。將兩種模態作為初始缺陷導入Risk計算模塊中，獲得其極值點失穩時對應的鋼柱的極限軸力，由此可得處于最不利荷載下鋼柱的軸力-位移曲線，如圖7所示。其極限軸力為1962.55k N，小于鋼柱的最大軸壓承載力，因此鋼平臺的屈曲失穩分析也是符合要求的。

圖7 處于最不利荷載下鋼柱的軸力-位移曲線

5 小結

本文對鋼平臺不同構件處于最不利狀態下的分析可知，相對于采用簡支梁模型的簡化方法，采用有限元計算方法考慮到了整個鋼平臺在受到不同荷載作用下結構內部之間的相互影響，從而使得主梁、次梁算得最大跨中彎矩，最大支座彎矩以及兩者之差都是小于簡支梁計算所得。這表明采用的簡支梁模型算法開展鋼平臺結構構件設計高估了荷載的不利作用，具有保守性，使得材料在應用中產生一定程度的浪費。然而，對于鋼板中吊車荷載的不利影響，若簡化方法中近似認為吊車荷載均布在同一跨的鋼板上，而沒有考慮到其具有一定的作用力集中狀況，此時計算出的鋼板最大彎矩將小于實際工程情況，而導致鋼板設計強度不足，具有一定的危險性。因此需要將該集中荷載均勻化簡化設計的不利影響，綜合平衡考慮鋼板在跨與跨之間的相互作用對集中彎矩的降低作用，優化設計出安全經濟的建筑結構構件。