基于 BIM 的自平衡加載架設(shè)計(jì)

韓 石，張翼飛，呂宇宣，陳 恒，楊旻予，曾 俊

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與水利工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 鐵門關(guān) 841007；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北省 石家莊 050043）

0 引言

隨著結(jié)構(gòu)跨度及高度的增大，以及結(jié)構(gòu)及結(jié)點(diǎn)形式越來越復(fù)雜，各種大型的通用試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生［1］。這些加載系統(tǒng)加載能力強(qiáng)、行程大，且測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，具有優(yōu)越的通用性及加載性能。但加載系統(tǒng)購買費(fèi)用高，一個(gè)試驗(yàn)室很多時(shí)候僅有有限幾臺大型加載系統(tǒng)，當(dāng)科研項(xiàng)目較多時(shí)，同一時(shí)間段內(nèi)可能很多項(xiàng)目在等待試驗(yàn)時(shí)就難以同時(shí)滿足要求。同時(shí)，加載系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，常需要廠家進(jìn)行維修，耽誤較長的時(shí)間，且維修成本較大，導(dǎo)致很多大型的加載設(shè)備長期擱置，試驗(yàn)無法按時(shí)完成。對于一些時(shí)間緊迫，加載方式較為簡單的項(xiàng)目，在項(xiàng)目資金充裕的前提下，就可以設(shè)計(jì)制作加載架，配合千斤頂，很快完成試驗(yàn)。

加載架是完成工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件試驗(yàn)的主要裝置。為滿足不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式、大小及加載條件的需求，出現(xiàn)了各種不同形式的加載架，包括絲杠與橫梁組合的反力架、二維自平衡加載架、二維四連桿機(jī)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)多功能空間加載裝置及多功能電液伺服加載試驗(yàn)系統(tǒng)等［2，3］。其中，二維自平衡加載架由主梁、立柱和四面封閉的框組成，可將構(gòu)件置于框內(nèi)完成加載，實(shí)現(xiàn)自身的平衡加載。此類加載架因加載方便、移動(dòng)靈活而得到廣泛應(yīng)用。

BIM（Building Information Modeling）中文名稱為建筑信息模型，是以三維設(shè)計(jì)概念為基礎(chǔ)的，把工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)信息，進(jìn)行建筑模型的相關(guān)建立［4-9］。Revit 因具有可視化的能力而成為了實(shí)現(xiàn) BIM 理念的常用工具之一［10］。

本文以 300 t 自平衡加載架為例，采用有限元軟件完成加載架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用 Revit 軟件建立三維實(shí)體模型，統(tǒng)計(jì)各方案的用鋼量。給出了滿足 100～300 t 不同噸位要求的加載架設(shè)計(jì)備選方案，實(shí)際加工出了 200 t 的加載架，并采用該加載架完成了構(gòu)件試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的加載架可滿足要求。本文研究成果為此類自平衡加載架的設(shè)計(jì)提供參考。

1 設(shè)計(jì)要求

經(jīng)過理論分析可知，加載架在加載過程中主要是橫梁跨中撓度較大，通過調(diào)研實(shí)驗(yàn)室加載架并參照相關(guān)文獻(xiàn)，將主梁按豎向荷載作用在簡支梁進(jìn)行計(jì)算，使其滿足強(qiáng)度和剛度要求，最大撓度控制為 L/2 000，柱構(gòu)件按照拉彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，不考慮橫梁與縱梁連接板上的高強(qiáng)螺栓，按照鋼結(jié)點(diǎn)考慮。

2 計(jì)算過程

以跨度 2 500 mm 的 300 t 自平衡加載架為例，采用有限元軟件完成各部分設(shè)計(jì)［11，12］。鋼架中鋼材均選用 Q345 結(jié)構(gòu)鋼，鋼材的屈服強(qiáng)度為 345 MPa，泊松比取 0.3。鋼材本構(gòu)采用理想彈塑性模型。

2.1 橫梁計(jì)算

為方便與柱子連接，橫梁一般采用箱型構(gòu)件［見圖 1（a）］，為增加構(gòu)件剛度，還可設(shè)置水平縱向加勁肋［見圖 1（b）］、沿構(gòu)件跨度放置橫向加勁肋［見圖 1（c）］。將截面高度取為 640 mm、鋼板厚度為 50 mm，采用如圖 2 所示的橫梁截面形式，將橫梁看作跨中作用集中力的簡支梁，建立有限元模型，所得結(jié)果如圖 3 所示。

圖1 橫梁截面形式及加勁肋

圖2 橫梁示意圖（單位：mm）

圖3 簡支橫梁計(jì)算結(jié)果

從圖 3（a）可以看出，橫梁最大撓度為 1.42 mm，小于橫梁撓度限值 1.59 mm，基本滿足要求。由應(yīng)力云圖［見圖 3（b）和（c）］可看出，其x方向應(yīng)力為 96.881 MPa，等效應(yīng)力為 86.085 MPa，均不超過屈服強(qiáng)度的三分之一，可見圖 2 所示橫梁形式可以滿足 300 t 加載要求。

實(shí)際上，截面高度、翼緣及腹板厚度、縱橫向加勁肋的設(shè)置都會(huì)影響到橫梁強(qiáng)度及剛度［13］。如圖 4 所示為將橫梁截面高度分別設(shè)計(jì)為 600、800、1 000 mm，腹板和翼緣厚度設(shè)計(jì)為 40、60、80 mm，同時(shí)設(shè)置水平及橫向加勁肋時(shí)，通過有限元分析所得橫梁跨中撓度值。從圖 4 可以看出，隨著截面高度及鋼板厚度的增加，橫梁的剛度逐漸增大，撓度降低。顯然，當(dāng)采用某一個(gè)截面高度不能滿足要求時(shí)，可以通過增加鋼板厚度滿足要求。實(shí)際上有無數(shù)個(gè)截面高度與鋼板厚度的組合可以滿足要求，同時(shí)橫梁加勁肋數(shù)量、厚度及分布均對構(gòu)件剛度有影響。本研究從實(shí)用的角度給出滿足不同加載等級的要求橫梁截面設(shè)計(jì)方案，同時(shí)采用 Revit 軟件計(jì)算不同方案的用鋼量，所得結(jié)果如表 1 所示。

表1 針對不同噸位的備選橫梁截面方案

圖4 不同設(shè)計(jì)參數(shù)對承載能力影響

從圖 4 可以看出：相比而言，橫向加勁肋的數(shù)量的增減和厚度的變化對梁的承載能力影響較小，但鋼板厚度和截面高度的變化對于梁的承載能力影響較大。

由表 1 可以看出，鋼板的厚度和橫向加勁肋的變化對用鋼量的影響較小，但截面高度的增減對于用鋼量的影響非常大。所以在考慮鋼架的較佳經(jīng)濟(jì)方式時(shí)，應(yīng)著重考慮截面高度的取值。

2.2 TOPSIS 分析

本文對多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)，以鋼架的性能、工藝復(fù)雜程度、所占空間為評價(jià)指標(biāo)，通過 TOPSIS 法作出評價(jià)。其中鋼架性能以單位體積承載力表示，單位體積承載力越大越好，工藝復(fù)雜程度以橫向加勁肋數(shù)量表示，橫向加勁肋數(shù)量越小越好，所占空間由截面高度表示，截面高度越小越好。各評價(jià)指標(biāo)所占權(quán)重如表 2 所示。

表2 權(quán)重表

經(jīng)過計(jì)算，可以設(shè)計(jì)出如圖 5 所示的結(jié)構(gòu)。

圖5 剖視圖（單位：mm）

橫向加筋肋的位置對于加載架的撓度影響很小，但是對于局部應(yīng)力的減小有著顯著的作用，故需要對中間橫向加筋肋位置進(jìn)行分析。采用如圖 6 所示的三種橫隔板分布形式，得到撓度以及應(yīng)力分布如圖 7 及圖 8 所示，根據(jù)應(yīng)力分布結(jié)果可知，將橫隔板分布等間距分布時(shí)，應(yīng)力集中最小，為最優(yōu)方案。

考慮到某些工況下，柱子上會(huì)承受集中荷載，如節(jié)點(diǎn)加載，故對柱構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，確定滿足撓度要求時(shí)的最大側(cè)向荷載值，同時(shí)考慮到構(gòu)件長度太大，設(shè)置加勁肋。300 t 加載架采用的柱構(gòu)件截面如圖 9 所示。

柱構(gòu)件的有限元［9，10］計(jì)算結(jié)果如圖 10 所示，水平方向 1/2 柱高位置在水平方向最大加載至 210 N 時(shí)，柱構(gòu)件的撓度達(dá)到撓度限值 4 800/2 000=2.4 mm，此時(shí)應(yīng)力值為 77.98 MPa，柱處于彈性狀態(tài)。

圖6 橫隔板尺寸分布圖（單位：mm）

圖7 撓度分布

圖8 應(yīng)力分布

圖9 柱示意圖（單位：mm）

圖10 柱計(jì)算結(jié)果

2.3 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算

確定橫梁及柱的截面后，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，建立模型在下橫梁設(shè)置千斤頂?shù)奈恢媒o結(jié)構(gòu)施加約束，固定各方向的轉(zhuǎn)動(dòng)及平動(dòng)自由度。

整體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果如圖 11 所示，橫梁最大位移出現(xiàn)在跨中，為 3.19 mm，實(shí)際結(jié)構(gòu)為自平衡裝置，上橫梁位移為 3.19/2=1.59 mm，符合撓度限值1.59 mm，滿足要求。柱中最大撓度為 2 mm 左右，同樣出現(xiàn)在跨中，柱撓度限值 2.4 mm。

圖11 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

加載梁在x方向應(yīng)力為 100 MPa 左右，柱在z方向最大應(yīng)力為 70 MPa 左右，最大等效應(yīng)力為 80 MPa 左右。結(jié)構(gòu)各部位均處于較低水平，未超過屈服強(qiáng)度的三分之一。

綜上，數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全性滿足要求。同時(shí)，由于為受拉構(gòu)件，整體穩(wěn)定性不必計(jì)算，自然滿足。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)完成如圖 12 所示 200 t 加載架，并按照設(shè)計(jì)圖加工實(shí)際加載架如圖 13 所示。將加載架用于試件加載，結(jié)果顯示加載架的強(qiáng)度、剛度均可滿足試驗(yàn)精度要求。

4 結(jié)語

圖12 鋼架 Revit 模型

本文采用有限元軟件完成了二維自平衡加載架設(shè)計(jì)，通過一系列計(jì)算給出了滿足 50～300 t 不同噸位要求的加載架橫梁備選方案。加工制造了 200 t 加載架，并采用所設(shè)計(jì)的加載架完成了構(gòu)件試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的加載架剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性均可滿足要求。Q