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 師寶祿

 （中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京  100040）

[摘要]為防止高大模板支撐系統(tǒng)在服役過程中發(fā)生整體失穩(wěn)或倒塌，減少傷亡與財產(chǎn)損失，介紹一種圓鋼管多功能模板支架監(jiān)測系統(tǒng)的原理及其組成，以某工程A座高大模板（支撐架）為工程背景，并通過提取特征值屈曲分析中的一階屈曲模態(tài)，進(jìn)行缺陷敏感性分析，之后考慮初始幾何缺陷進(jìn)行非線性有限元分析，給出架體在正常使用狀態(tài)與極限狀態(tài)下的預(yù)警值，將預(yù)警值導(dǎo)入到開發(fā)的軟件中進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，達(dá)到預(yù)警值時進(jìn)行報警信息的推送。

[關(guān)鍵詞]高大模板；腳手架；敏感性；預(yù)警值；有限元分析

[中圖分類號] TU755.2；TU731.2  [文章編號]1002-8498(2016)11-0012-03

1監(jiān)測系統(tǒng)原理及組成

 本文采用的多功能模板支架的應(yīng)變一位移監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要方式為在腳手架可能發(fā)生較大應(yīng)變的部位安裝應(yīng)變傳感器，在梁底和板底安裝位移傳感器監(jiān)測混凝土澆筑過程中梁和板產(chǎn)生的撓度，并將監(jiān)測信息傳遞到開發(fā)的應(yīng)變自動識別軟件中，在監(jiān)測的過程中會有短信報警裝置，一旦監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過某一級別的預(yù)警值，軟件系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)警值的級別不同發(fā)報警短信給不同的人。

2數(shù)值計算分析

2.1  多功能模板支架簡介

 多功能模板支架是和傳統(tǒng)的扣件式與碗扣式腳手架不同的一種新型腳手架，與傳統(tǒng)的扣件式和碗扣式腳手架力學(xué)傳遞方式相比，多功能模板支架傳力并不像扣件式或碗扣式腳手架那樣需要定義各傳力路徑上的剛度系數(shù)，它的各路徑上均為剛接，傳力明確。并且相比于傳統(tǒng)的碗扣式與扣件式腳手架，多功能模板支架結(jié)構(gòu)簡單，搭設(shè)與拆卸方便，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡潔合理，在整個體系的搭建過程中，已搭建部分的自穩(wěn)定效果好，可隨時搭拆爬梯。

2.2有限元建模方案

 在有限元分析建模過程中，由于多功能模板支架橫桿與豎桿之間力與彎矩完全傳遞的特點(diǎn)，建模時節(jié)點(diǎn)選擇與常見的扣件式要選擇彎矩傳遞系數(shù)不同，本文全部采用剛接的連接方式建模；多功能模板支架斜撐與橫桿和豎桿采用扣件連接方式，故建模過程中采用MPC鉸接的方式連接。底部各節(jié)點(diǎn)采用鉸接，頂部約束四角除豎向的位移。橫桿與豎桿采用梁單元，斜撐采用桁架單元。荷載方面，將頂部的荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)力施加在撐托的頂部。進(jìn)行模型自振頻率分析時將上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量均勻施加在架體頂部。模型完成后如圖1所示，得到其自振頻率如表1所示。

2.3初始缺陷的選擇以及整體的缺陷敏感性分析

 腳手架的整體或者局部的幾何初始缺陷是影響其極限承載能力的重要方面，L．H. Teh等提出采用結(jié)構(gòu)的特征模態(tài)計算結(jié)構(gòu)的最小分支屈曲荷載，沈世釗等提出采用一致缺陷模態(tài)法處理結(jié)構(gòu)的初始缺陷。一致缺陷模態(tài)法實(shí)際上就是采用一階屈曲模態(tài)來模擬初始幾何缺陷的分布，在實(shí)質(zhì)上與L．H．Teh等的方法相同。本文采用沈世釗等的方法來模擬整個模板支架的初始幾何缺陷，采用通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行整體分析，首先采用線性屈曲分析得到整個腳手架的屈曲模態(tài)，并輸出其最低階屈曲模態(tài)的位移，然后編輯模型關(guān)鍵字，將一階屈曲模態(tài)位移導(dǎo)入新的模型中進(jìn)行非線性屈曲分析，用弧長法追蹤其荷載路徑。

 結(jié)構(gòu)缺陷敏感性的定義通常與3個方面密切相關(guān)：①真實(shí)結(jié)構(gòu)的臨界屈曲荷載遠(yuǎn)低于經(jīng)典理論預(yù)測；②試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散，結(jié)構(gòu)的極限承載力難以準(zhǔn)確預(yù)測；③達(dá)到極限承載力后結(jié)構(gòu)突然失穩(wěn)，某些極端情況下結(jié)構(gòu)突變失效。結(jié)構(gòu)缺陷敏感性的類型根據(jù)其對不同性質(zhì)的臨界點(diǎn)，如極值點(diǎn)和分支點(diǎn)的敏感性程度不同可以分為不同的類型，本文采用結(jié)構(gòu)承載力全過程曲線，在相同的結(jié)構(gòu)中考慮不同大小的幾何初始缺陷對結(jié)構(gòu)極限承載力的影響。

 初始幾何缺陷大小采用最不利一階屈曲模態(tài)，大小分別選用100，5%0，1%，5%，10%和完善結(jié)構(gòu)對比，結(jié)果如圖2所示，關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)如表2所示。

 對10種不同步長、跨高的腳手架進(jìn)行缺陷敏感性分析，結(jié)果如圖3所示。

 從表2中數(shù)據(jù)與圖3可看出，開始從完善結(jié)構(gòu)到有初始缺陷過渡的過程中，隨著缺陷增大，結(jié)構(gòu)承載能力迅速下降，因此結(jié)構(gòu)為缺陷敏感型結(jié)構(gòu)；隨后隨著缺陷的增大，結(jié)構(gòu)的承載力呈緩慢下降趨勢。通過考慮現(xiàn)場實(shí)際情況與規(guī)范要求，取結(jié)構(gòu)初始幾何缺陷的1%對其進(jìn)行靜力分析，包括對其進(jìn)行的正常使用狀態(tài)與承載力極限狀態(tài)的分析。

2.4結(jié)果分析

 ABAQUS中處理圓管梁單元時，默認(rèn)的輸入與輸出積分點(diǎn)如圖4所示。

 即輸出時每個梁截面的輸出積分點(diǎn)有4個，如圖5所示。

為保證檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與有效性，分析發(fā)現(xiàn)SP3+SP5=SPl+SP7．因此在監(jiān)測過程中，每個監(jiān)測點(diǎn)安裝相互對應(yīng)的2個應(yīng)變計，取其平均值作為應(yīng)變觀測結(jié)果。正常使用和極限承載力狀態(tài)下，頂部節(jié)點(diǎn)荷載與觀測點(diǎn)的應(yīng)變值如表3所示。

 板底位移與節(jié)點(diǎn)荷載曲線如圖6所示。頂部節(jié)點(diǎn)荷載與觀測點(diǎn)位移如表4所示。

2.5預(yù)警值設(shè)置

 本監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警值分二級設(shè)置，一級預(yù)警值為應(yīng)變值超過設(shè)計荷載對應(yīng)應(yīng)變的10%，二級預(yù)警值為應(yīng)變值達(dá)到結(jié)構(gòu)極限承載力對應(yīng)應(yīng)變的80%，如表5所示。

3  結(jié)語

 1)通過對多功能模板支架的缺陷敏感性分析，發(fā)現(xiàn)從完善結(jié)構(gòu)至存在初始缺陷的結(jié)構(gòu)變化過程中結(jié)構(gòu)的極限承載力迅速降低，發(fā)現(xiàn)其為缺陷敏感型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的整體受力分析中應(yīng)考慮初始幾何缺陷的影響，本文根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場情況與規(guī)范要求取1%進(jìn)行計算。

 2)本應(yīng)變．位移監(jiān)測系統(tǒng)將應(yīng)變計放置于可能產(chǎn)生大應(yīng)變的地方，位移計放置于梁與板的底部，一級預(yù)警值設(shè)定為超出多功能模板支架設(shè)計荷載對應(yīng)應(yīng)變的10%，二級預(yù)警值設(shè)定為達(dá)到其極限承載力對應(yīng)應(yīng)變的80%，并且在預(yù)警時將信息推送給特定的人。

 3)該監(jiān)測設(shè)備可以通過軟件進(jìn)行預(yù)警值的預(yù)設(shè)、預(yù)警信息的推送，并且監(jiān)測應(yīng)變的裝置可以反復(fù)使用，從而可以實(shí)現(xiàn)多功能模板支架的動態(tài)監(jiān)測與倒塌預(yù)警的自動化。