高大模板支架结构安全状态预警研究

2016-08-06 10:11:04 安装信息网

师宝禄

（中铁建设集团有限公司，北京 100040）

[摘要]为防止高大模板支撑系统在服役过程中发生整体失稳或倒塌，减少伤亡与财产损失，介绍一种圆钢管多功能模板支架监测系统的原理及其组成，以某工程A座高大模板（支撑架）为工程背景，并通过提取特征值屈曲分析中的一阶屈曲模态，进行缺陷敏感性分析，之后考虑初始几何缺陷进行非线性有限元分析，给出架体在正常使用状态与极限状态下的预警值，将预警值导入到开发的软件中进行实时监测，达到预警值时进行报警信息的推送。

[关键词]高大模板；脚手架；敏感性；预警值；有限元分析

[中图分类号] TU755.2；TU731.2 [文章编号]1002-8498(2016)11-0012-03

1监测系统原理及组成

本文采用的多功能模板支架的应变一位移监测系统实现的主要方式为在脚手架可能发生较大应变的部位安装应变传感器，在梁底和板底安装位移传感器监测混凝土浇筑过程中梁和板产生的挠度，并将监测信息传递到开发的应变自动识别软件中，在监测的过程中会有短信报警装置，一旦监测到的数据超过某一级别的预警值，软件系统会根据预警值的级别不同发报警短信给不同的人。

2数值计算分析

2.1 多功能模板支架简介

多功能模板支架是和传统的扣件式与碗扣式脚手架不同的一种新型脚手架，与传统的扣件式和碗扣式脚手架力学传递方式相比，多功能模板支架传力并不像扣件式或碗扣式脚手架那样需要定义各传力路径上的刚度系数，它的各路径上均为刚接，传力明确。并且相比于传统的碗扣式与扣件式脚手架，多功能模板支架结构简单，搭设与拆卸方便，节点构造简洁合理，在整个体系的搭建过程中，已搭建部分的自稳定效果好，可随时搭拆爬梯。

2.2有限元建模方案

在有限元分析建模过程中，由于多功能模板支架横杆与竖杆之间力与弯矩完全传递的特点，建模时节点选择与常见的扣件式要选择弯矩传递系数不同，本文全部采用刚接的连接方式建模；多功能模板支架斜撑与横杆和竖杆采用扣件连接方式，故建模过程中采用MPC铰接的方式连接。底部各节点采用铰接，顶部约束四角除竖向的位移。横杆与竖杆采用梁单元，斜撑采用桁架单元。荷载方面，将顶部的荷载转化为节点力施加在撑托的顶部。进行模型自振频率分析时将上部结构质量均匀施加在架体顶部。模型完成后如图1所示，得到其自振频率如表1所示。

2.3初始缺陷的选择以及整体的缺陷敏感性分析

脚手架的整体或者局部的几何初始缺陷是影响其极限承载能力的重要方面，L．H. Teh等提出采用结构的特征模态计算结构的最小分支屈曲荷载，沈世钊等提出采用一致缺陷模态法处理结构的初始缺陷。一致缺陷模态法实际上就是采用一阶屈曲模态来模拟初始几何缺陷的分布，在实质上与L．H．Teh等的方法相同。本文采用沈世钊等的方法来模拟整个模板支架的初始几何缺陷，采用通用有限元软件ABAQUS进行整体分析，首先采用线性屈曲分析得到整个脚手架的屈曲模态，并输出其最低阶屈曲模态的位移，然后编辑模型关键字，将一阶屈曲模态位移导入新的模型中进行非线性屈曲分析，用弧长法追踪其荷载路径。

结构缺陷敏感性的定义通常与3个方面密切相关：①真实结构的临界屈曲荷载远低于经典理论预测；②试验数据离散，结构的极限承载力难以准确预测；③达到极限承载力后结构突然失稳，某些极端情况下结构突变失效。结构缺陷敏感性的类型根据其对不同性质的临界点，如极值点和分支点的敏感性程度不同可以分为不同的类型，本文采用结构承载力全过程曲线，在相同的结构中考虑不同大小的几何初始缺陷对结构极限承载力的影响。

初始几何缺陷大小采用最不利一阶屈曲模态，大小分别选用100，5%0，1%，5%，10%和完善结构对比，结果如图2所示，关键点数据如表2所示。

对10种不同步长、跨高的脚手架进行缺陷敏感性分析，结果如图3所示。

从表2中数据与图3可看出，开始从完善结构到有初始缺陷过渡的过程中，随着缺陷增大，结构承载能力迅速下降，因此结构为缺陷敏感型结构；随后随着缺陷的增大，结构的承载力呈缓慢下降趋势。通过考虑现场实际情况与规范要求，取结构初始几何缺陷的1%对其进行静力分析，包括对其进行的正常使用状态与承载力极限状态的分析。

2.4结果分析

ABAQUS中处理圆管梁单元时，默认的输入与输出积分点如图4所示。