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楼梯钢支撑体系力学性能有限元分析

2025-05-06 48 上传者：管理员

摘要：为实现低碳环保、绿色建造的目标，提出一种用于楼梯的钢支撑体系。考虑正常使用极限状态和承载能力极限状态两种工况，采用midas Gen有限元软件对该支撑体系的基本力学性能进行了有限元计算，通过ABAQUS和FRANC 3D软件分析结构的抗疲劳性能及不同初始缺陷对结构疲劳寿命的影响。结果表明：92.6%结构构件的应力比低于0.2，结构安全余量充足；结构最大应力幅为42.1 MPa，在200万次循环荷载作用下不发生疲劳破坏；结构的疲劳寿命随着焊接初始缺陷的增大而降低，因此在使用前应对危险部位进行焊接质量检测。

关键词：
力学性能
工程实践
楼梯
疲劳性能
钢支撑体系
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我国房建工程中普遍应用的模板脚手架支撑体系存在很多安全隐患,主要表现在材料､施工过程等方面[1]｡钢支撑以通用性强､钢框结构合理､模板刚度大､周转利用率高､损耗小､建筑能耗低[2]等多项优势,被逐渐用于工程实践,采用钢支撑代替传统脚手架支撑体系更安全､绿色､低碳｡目前对支撑体系的研究主要集中于模板脚手架[3~8],对钢支撑体系的研究尚不多见｡本文提出一种房建工程中用于楼梯踏步和平台的钢支撑体系,采用midasGen有限元分析软件进行数值模拟,研究该支撑体系的基本力学性能,并对其抗疲劳性能进行讨论分析,研究不同焊接初始缺陷尺寸对其疲劳寿命的影响,为实际工程应用提供理论支持｡

1、楼梯钢支撑体系

本文中所涉及的楼梯钢支撑体系主要由楼梯平台钢支撑､楼梯踏步钢支撑､楼梯梁钢支撑和楼梯钢模板组成｡楼梯平台钢支撑由槽钢立柱与槽钢横梁装配成若干个标准节,相邻标准节通过螺栓连接成整体,可根据相邻楼梯平台的高度确定标准节的数量｡楼梯踏步钢支撑和楼梯梁钢支撑由若干根方钢管组成,形成桁架受力体系,楼梯梁钢支撑与楼梯平台钢支撑的连接节点位置可在竖直方向自由调节,以适应两侧不同高度的楼梯梁｡当楼梯钢支撑体系搭设完成后,在支撑体系顶部铺设楼梯钢模板,用于现浇钢筋混凝土楼梯的浇筑｡该支撑体系易拆卸,可多次周转使用｡

2、有限元模型

2.1模型的建立

在midasGen有限元分析软件中对楼梯踏步和平台的钢支撑体系建模｡支撑体系均采用Q235钢,密度取7850kg/m3,弹性模量取2.06×105N/mm2,泊松比取0.3,线膨胀系数取1.2×10-5｡两侧楼梯平台钢支撑高3m､宽1m,梯段总长2.46m､宽1m｡见表1｡

表1构件参数mm

所有钢支撑部件采用梁单元模拟,在钢支撑上表面建立薄板,用于施加竖向面荷载,构件之间均通过焊接连接,所有节点设置为刚接,约束楼梯平台钢支撑底部4个角点的平动自由度dx､dy､dz｡由于该支撑体系仅用于楼梯的浇筑和养护阶段,因此只考虑钢支撑体系的自重､钢模板的自重､上部现浇楼梯的重荷载及施工活荷载｡见表2和图1｡

表2有限元模型荷载取值kN/m2

图1楼梯钢支撑体系有限元模型

2.2计算结果

共设置2种工况:工况一是基于正常使用极限状态的标准组合,荷载分项系数均取1.0;工况二是基于承载能力极限状态的基本组合,根据GB55001—2021《工程结构通用规范》对荷载组合分项系数进行取值,恒载分项系数取1.3,活载分项系数取1.5

工况一结构的最大拉应力为42.1MPa,最大压应力为134.1MPa;工况二结构的最大拉应力为57.0MPa,最大压应力为181.4MPa,2种工况下最大应力均出现在左侧楼梯梁与楼梯踏步钢支撑连接节点处｡见图2｡

图2应力计算结果

构件的厚度均<16mm,根据GB50017—2017《钢结构设计标准》,材料的抗拉､抗压设计值均取215MPa｡强度破坏采用承载能力极限状态进行验算,对工况二支撑体系杆件的应力水平进行统计,应力比<0.2的构件占92.6%,应力比超过0.5的构件仅占2.2%,表明绝大多数杆件的应力水平较低,该支撑体系具有足够的安全余量｡应力比较大的位置可以考虑对杆件适当加强或增设斜撑,保证使用过程中结构的安全性与稳定性｡

3、抗疲劳分析

为达到低碳环保和绿色建造的目标,需要对钢支撑体系进行循环使用;这样必然会伴随着循环荷载作用,钢材尤其是焊缝位置,在循环荷载作用下存在金属疲劳问题｡GB50017—2017《钢结构设计标准》中对焊接构件和连接分类给出了较为详细的规定｡

考虑到焊接构造的抗疲劳性较钢材本身低,因此着重研究钢支撑体系焊接构造附近的疲劳寿命｡文中涉及的焊接构造为横向传力焊缝和非传力焊缝,对应GB50017—2017中的构造类别分别为Z8和Z7,由于横向传力焊缝对应的疲劳极限更低,因此在对疲劳性能进行分析时,均按疲劳极限较低的构造类别即横向传力焊缝考虑,在200万次循环荷载作用下对应的容许应力幅为71MPa｡疲劳计算基于名义应力,采用荷载标准值的容许应力幅法,按工况一取值,最大拉应力为42.1MPa,卸荷后拉应力为0,故按标准组合计算正应力幅为42.1MPa,小于此构造类别的疲劳极限71MPa,正常使用情况下,结构可以承受200万次循环荷载而不发生疲劳破坏｡

焊接质量对钢结构疲劳强度的影响显著,钢支撑体系焊接节点较多,因此不能忽视焊接质量对结构疲劳寿命的影响｡根据标准组合应力计算结果,结构最大拉应力出现在楼梯踏步钢支撑腹杆位置处,在ABAQUS软件中建立有限元模型进行静力分析｡见图3｡

图3焊接节点静力计算结果

计算结果表明:杆件边缘处应力集中,最大应力水平达75.1MPa,超过名义应力值,此处的疲劳效应最为显著,着重分析该处不同尺寸初始缺陷对疲劳寿命的影响｡

以上述模型为基础,在FRANC3D中建立局部模型并插入圆形初始裂纹,选取6个不同半径(0.1､0.2､0.4､0.6､0.8､1.2mm),对该节点的疲劳寿命进行预测｡见图4｡

图4焊接节点局部模型

疲劳裂纹扩展参数C取8.32×10-12,m取2.88[9],应力比取0,当裂纹扩展至钢材厚度一半时停止计算,认为此时构件已经发生疲劳断裂｡见表3｡

表3不同裂纹尺寸计算结果

不同初始缺陷条件下的疲劳寿命差异显著,随着初始裂纹尺寸的增大,结构的疲劳寿命呈现下降趋势｡当构件角部的初始缺陷半径为0.1mm时,其预测寿命为6180000次,为理论寿命的42.9%;当初始缺陷半径为1.2mm时,其预测寿命为1750000次,仅为理论寿命的12.2%｡由此可见,在焊接构造应力集中位置处的初始缺陷十分危险,无法达到理论寿命,当初始缺陷较为严重时,结构的疲劳寿命远小于其设计疲劳寿命｡

此类钢模具在使用前,需要对钢材的焊接质量进行严格评定,避免在使用过程中发生疲劳破坏｡由于文中选取的钢支撑跨度较小,结构的最大应力幅水平较低,该支撑体系可以承受足够次数的循环荷载而不发生疲劳破坏,但当上部荷载增大且跨度增加时,结构的最大应力幅也随之增大,理论寿命随之降低,严重的焊接初始缺陷是施工过程中较大的安全隐患,需要进行复核计算,确保结构的稳定性与安全性｡

4、结论

1)按承载能力极限状态考虑,结构最大应力为181.4MPa,出现在左侧楼梯梁与楼梯踏步钢支撑连接节点处,小于钢材强度设计值,应力比<0.2的构件占92.6%,构件的应力水平普遍偏小,安全余量充足,对应力较大节点可采取加强措施｡

2)结构最大计算应力幅为42.1MPa,按焊接构造考虑,可承受200万次循环荷载而不发生疲劳破坏,可以满足疲劳设计要求｡

3)文中支撑体系的疲劳寿命随焊接初始缺陷尺寸的增大而降低,在最危险的节点处,当初始缺陷半径为1.2mm时,预测寿命仅为理论寿命的12.2%,在投入使用前需要对焊缝质量进行检测,保证结构的安全性｡

参考文献:

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