某滿堂支架的有限元分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u11131某滿堂支架的有限元分析案例 1168961.1有限元分析概述 1233041.2材料定義 4263961.3截面定義 6139601.4節(jié)點(diǎn)建立 9168211.5單元建立 9303471.6邊界條件定義 16196821.7荷載定義 18172851.7施工工況定義 19107741.8支架計算結(jié)果分析 20124511.8.1支架計算參數(shù) 20248781.8.2地基承載力檢算 22271801.8.3支架局部受力分析 2324971.8.4支架剛度分析 2671701.8.5支架強(qiáng)度分析 28287211.8.6支架抗傾覆穩(wěn)定性分析 301.1有限元分析概述根據(jù)滿堂支架結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，使用Midas/Civil對滿堂支架進(jìn)行建模分析。本連續(xù)梁支撐系統(tǒng)為對稱結(jié)構(gòu)，考慮到支撐系統(tǒng)桿件繁冗及畢業(yè)設(shè)計的時間要求，本次畢業(yè)設(shè)計僅對連續(xù)梁一邊跨支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析，邊跨支架結(jié)構(gòu)模型共計50085個節(jié)點(diǎn)，237024個單元模型采用梁單元進(jìn)行計算。具體支架模型見下圖8-1、8-2、8-3、8-4所示。圖8-1支架整體模型斜視圖圖8-2支架模型正視圖圖8-3支架模型側(cè)視圖圖8-4支架模型俯視圖1.2材料定義根據(jù)盤扣支架主要材料的材質(zhì)如下表8-1所示，定義出模型材料。Q235鋼材及Q345鋼材的定義方法為從軟件數(shù)據(jù)庫內(nèi)直接選取，木材的定義方法為用戶自定義木材的性能參數(shù)。表8-1支架主要材料支架桿件材質(zhì)立桿Q345橫桿Q235豎向斜桿Q235水平斜桿Q235（1）Q235鋼材定義的材料數(shù)據(jù)如下圖8-5所示。圖8-5Q235鋼材材料數(shù)據(jù)（2）Q345鋼材定義的材料數(shù)據(jù)如下圖8-6所示。圖8-6Q345鋼材材料數(shù)據(jù)（3）木材定義的材料數(shù)據(jù)如下圖8-7所示。圖8-7木材材料數(shù)據(jù)1.3截面定義本次建模所涉及的立桿、橫桿、斜桿、方木橫梁及方木縱梁的截面尺寸（如下表8-2所示）參數(shù)定義方法均為用戶手動輸入具體截面參數(shù)定義。表8-2支架主要材料截面尺寸主要材料尺寸立桿直徑Φ60mm，壁厚3.2mm橫桿直徑Φ48mm，壁厚3.2mm豎向斜桿直徑Φ48mm，壁厚3.2mm水平斜桿直徑Φ48mm，壁厚3.2mm方木橫梁寬25cm×高10cm方木縱梁寬10cm×高10cm（1）立桿截面定義的截面數(shù)據(jù)如下圖8-8所示。圖8-8立桿截面數(shù)據(jù)（2）橫桿截面定義的截面數(shù)據(jù)如下圖8-9所示。圖8-9橫桿截面數(shù)據(jù)（3）斜桿截面定義的截面數(shù)據(jù)如下圖8-10所示。圖8-10斜桿截面數(shù)據(jù)（4）方木橫梁截面定義的截面數(shù)據(jù)如下圖8-11所示。圖8-11方木橫梁截面數(shù)據(jù)（5）方木縱梁截面定義的截面數(shù)據(jù)如下圖8-12所示。圖8-12方木縱梁截面數(shù)據(jù)1.4節(jié)點(diǎn)建立Midas/Civil中的節(jié)點(diǎn)建立方法有多種，本此建模的節(jié)點(diǎn)建立方法為：建立第一個節(jié)點(diǎn)，即坐標(biāo)為（0,0,0）的節(jié)點(diǎn)；通過節(jié)點(diǎn)復(fù)制的方法復(fù)制出一排中每根支架立桿的第一個節(jié)點(diǎn)。如下圖8-13所示。圖8-13支架節(jié)點(diǎn)的建立1.5單元建立立桿單元建立①選中支架立桿的第一個節(jié)點(diǎn)使用單元擴(kuò)展功能向Z軸擴(kuò)展成第一排立桿單元，如下圖8-14所示。圖8-14支架立桿單元的建立②通過單元復(fù)制的方法向Y軸復(fù)制出支架的每排立桿單元，如下圖8-15所示。圖8-15支架立桿單元的復(fù)制支架立面橫桿單元建立①選中并激活順橋向第一排立桿，在支架立面第一排立桿的節(jié)點(diǎn)上建立支架的橫桿單元，如下圖8-16所示。圖8-16支架立面橫桿單元的建立②通過單元復(fù)制的方法向Y軸復(fù)制出支架的每排橫桿單元，如下圖8-17所示。圖8-17支架立面橫桿單元的復(fù)制（3）支架截面橫桿單元建立①選中并激活順橋向第一列立桿，在第一列立桿的節(jié)點(diǎn)上建立支架的橫桿單元，如下圖8-18所示。圖8-18支架截面橫桿單元的復(fù)制②通過單元復(fù)制的方法向Y軸復(fù)制出支架的每列橫桿單元，如下圖8-19所示。圖8-19支架截面橫桿單元的復(fù)制（4）支架立面斜桿單元建立①選中并激活順橋向第一排立桿及橫桿，在第一排立桿及橫桿的節(jié)點(diǎn)上建立支架的斜桿單元，如下圖8-20所示。圖8-20支架立面斜桿單元的建立②選中并激活順橋向第二排立桿及橫桿，在第二排立桿及橫桿的節(jié)點(diǎn)上建立支架的斜桿單元，如下圖8-21所示。圖8-21支架立面斜桿單元的建立③通過單元復(fù)制的方法向Y軸復(fù)制出支架立面的斜桿單元，如下圖8-22所示。圖8-22支架立面斜桿單元的復(fù)制支架截面斜桿單元建立①選中并激活順橋向第一列立桿及橫桿，在第一列立桿及橫桿的節(jié)點(diǎn)上建立支架的斜桿單元，如下圖8-23所示。圖8-23支架截面斜桿單元的建立②選中并激活順橋向第二列立桿及橫桿，在第二列立桿及橫桿的節(jié)點(diǎn)上建立支架的斜桿單元，如下圖8-22所示。圖8-24支架截面斜桿單元的建立③通過單元復(fù)制的方法向X軸復(fù)制出支架截面的斜桿單元，如下圖8-25所示。圖8-28支架截面斜桿單元的復(fù)制（6）方木橫、縱梁單元建立選中并激活順橋向第一排立桿，通過節(jié)點(diǎn)復(fù)制的方法根據(jù)方木的高度向Z軸復(fù)制出方木橫、縱梁的節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)方木橫、縱梁的節(jié)點(diǎn)建立方木橫、縱梁單元，如下圖8-29、8-30所示。圖8-29方木橫梁單元的建立圖8-30方木縱梁單元的建立（7）連墻件單元建立選中并激活順橋向能與橋墩設(shè)置連墻件的第一排立桿，通過節(jié)點(diǎn)復(fù)制的方法根據(jù)方木的高度向X軸復(fù)制出連墻件與橋墩連接的節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)連墻件的節(jié)點(diǎn)建立連墻件單元，如下圖8-31所示。圖8-31連墻件單元的建立1.6邊界條件定義一般支撐設(shè)置支架底部與混凝土墊層接觸的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為一般支撐，即僅約束Dx、Dy、Dz，如下圖8-32所示。圖8-31支架一般支撐的設(shè)置彈性支撐設(shè)置本次建模過程中，有兩處采用了彈性連接，分別是支架頂托與方木橫梁之間、方木橫梁與方木縱梁之間，其中支架頂托與方木橫梁之間的約束為SDx1000000kN/m、SDy100000kN/m、SDz100000kN/m、SRy10kN·m/rad，方木橫梁與方木縱梁之間的約束為SDx1000000kN/m、SDy100000kN/m、SDz100000kN/m、SRz10kN·m/rad。如下圖8-32所示。圖8-32支架彈性支撐的設(shè)置釋放梁端約束根據(jù)《建筑施工臨時支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（JGJ300-2013）知，①豎向鋼管底部、鋼管頂部各層方木和模板之間的連接均為鉸接（搭接）約束；②鋼管連接節(jié)點(diǎn)位置：水平桿與豎桿連接，水平桿兩端釋放兩端約束My、Mz剛度均為20kN·m/rad；斜撐桿。桿與豎桿連接，水平桿兩端釋放兩端約束My、Mz剛度均為20kN·m/rad。所以，盤扣式支架建模需釋放兩端約束的值為My20kN·m/rad、Mz20kN·m/rad。如下圖8-33所示。圖8-33釋放梁端約束（4）剛性連接因?yàn)檫B墻件為支架架體與橋墩之間的連接件，而對于支架變形來講，可將橋墩視為剛體，所以連墻件的約束條件應(yīng)為剛性連接。如下圖8-34所示。圖8-34設(shè)置剛性連接1.7荷載定義結(jié)合已經(jīng)完成的連續(xù)梁滿堂支架法施工的案例，本連續(xù)梁滿堂支架法施工的荷載取值為：人工機(jī)械荷載：1.5kN/㎡；模板自重:1.1kN/㎡；混凝土沖擊荷載：2kN/㎡；混凝土振搗荷載：2kN/㎡；混凝土自重：見支架檢算荷載分析。本次建模將荷載布置在方木縱梁單元中，具體方法為選中并激活方木縱梁，并在方木縱梁上布置梯形壓力。如下圖8-35所示。圖8-35連續(xù)梁荷載布置1.7施工工況定義本支架有限元分析的施工荷載組合分為強(qiáng)度及剛度兩種，在強(qiáng)度荷載組合中，恒載的組合系數(shù)為1.2，活載的組合系數(shù)為1.4，在剛度荷載組合中，恒載及活載的組合系數(shù)均為1.0，如下圖8-36、8-37所示。圖8-36連續(xù)梁強(qiáng)度檢算荷載組合圖8-37連續(xù)梁剛度檢算荷載組合1.8支架計算結(jié)果分析1.8.1支架計算參數(shù)1、檢算指標(biāo)（1）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：γ0=1.0（2）強(qiáng)度檢算由《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》附錄A知，Q235鋼材取得：①彈性模量：E=2.06×105MPa；②抗拉、抗壓、抗彎容許應(yīng)力：f=215MPa；③抗剪容許應(yīng)力：fv=125MPa。Q345鋼材取得：①彈性模量：E=2.06×105MPa②抗拉、抗壓、抗彎容許應(yīng)力：f=310MPa③抗剪容許應(yīng)力：fv=180MPa（3）剛度檢算由《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》、《路橋施工計算手冊》：①結(jié)構(gòu)表面隱蔽模板：f≤L/250，L為模板跨度；②結(jié)構(gòu)表面外露模板：f≤L/400，L為模板跨度；③支架前端最大下?lián)现担害亍?0cm。（4）材料容重①混凝土容重取26kN/m3；②鋼材容重取71.5kN/m3。2、荷載檢算（1）梁體混凝土荷載荷載分配取順橋向1m單位長度檢算，235#墩一側(cè)支架端部梁體計算斷面如圖8-38所示。圖8-38235#墩一側(cè)支架端部梁體計算斷面繪制荷載分布簡圖如下圖8-39所示。圖8-39235#墩一側(cè)支架端部梁體荷載分布簡圖荷載分配取順橋向1m單位長度檢算，236#墩一側(cè)支架端部梁體計算斷面如圖8-40所示。圖8-40236#墩一側(cè)支架端部梁體計算斷面繪制荷載分布簡圖如下圖8-41所示。圖8-41236#墩一側(cè)支架端部梁體荷載分布簡圖（2）模板自重采用預(yù)制鋼模板，自重：1.1kN/㎡；（3）其他荷載①人員及機(jī)具荷載:取QN=1.5kN/m2；②澆筑混凝土?xí)r沖擊荷載：取QS=2.0kN/m2；③澆筑混凝土?xí)r振搗荷載：取QD=2.0kN/m2。3、荷載效應(yīng)組合由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行荷載效應(yīng)組合：組合Ⅰ：檢算強(qiáng)度組合Ⅱ：檢算剛度模板、支架荷載效應(yīng)組合如下表8-3所示。表8-3荷載效應(yīng)組合荷載類別荷載名稱荷載代號組合Ⅰ組合Ⅱ恒載混凝土自重Q1.21.0模板自重Q1.21.0支架自重Q1.21.0活載人員機(jī)具Q1.4沖擊荷載Q1.4振搗荷載Q1.4\1.8.2地基承載力檢算1、荷載分析支架外部荷載主要來自連續(xù)梁及其模板自重，施工作業(yè)等，具體荷載類型及數(shù)值如下：（1）每米梁體最大自重：262kN/m；（2）人工機(jī)械荷載：1.5kN/㎡；（3）模板自重:1.1kN/㎡；（4）混凝土沖擊荷載：2kN/㎡；（5）混凝土振搗荷載：2kN/㎡。2、承載力檢算滿堂支架地基鋪設(shè)15cm厚C20混凝土墊層，支架底座尺寸為100mm×100mm，底座通過C20混凝土墊層按45°向地層傳遞荷載。橫橋向14根支架立桿承受荷載，取縱橋向1m單位長度檢算。單元總荷載：G單根立桿荷載：F地基承載力：σσ結(jié)論：地基承載力符合要求。1.8.3支架局部受力分析1、縱向方木檢算間距20cm的10×10cm方木縱向布置于橫向方木上，按連續(xù)梁考慮，取單位長度(1.0m)進(jìn)行計算。荷載組合取最大荷載值進(jìn)行檢算q0=1.2×262+1.2×1.1+1.4×1.5+1.4×2.0+1.4×2.0=323.42kN/mq1=q0×0.2=323.42×0.2=64.68kN/m（2）截面參數(shù)及材料力學(xué)性能指標(biāo)w=I=方木的力學(xué)性能指標(biāo)按《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ025－86）中的B－1類木材并按濕材乘0.9的折減系數(shù)取值，則：σ＝19（3）承載力檢算強(qiáng)度檢算（取荷載最大值計算）：qlMσ=結(jié)論：縱向方木強(qiáng)度檢算滿足要求。剛度檢算：q=lf=結(jié)論：縱向方木剛度檢算滿足要求。2、橫向方木檢算25mm×10mm的橫向方木的位置為支架頂托上，按連續(xù)梁考慮，取單位長度(1.0m)進(jìn)行計算。（1）荷載組合取最大荷載值進(jìn)行檢算：q0=1.2×262+1.2×1.5+1.4×1.5+1.4×2.0+1.4×2.0=323.9kN/mq1=q0×0.2=323.9×0.2=64.78kN/m（2）截面參數(shù)及材料力學(xué)性能指標(biāo)w=I=方木的力學(xué)性能指標(biāo)按《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ025－86）中的B－1類木材并按濕材乘0.9的折減系數(shù)取值，則：σ＝19（3）承載力檢算強(qiáng)度檢算（取荷載最大值檢算）：qlMσ=結(jié)論：橫向方木強(qiáng)度檢算滿足要求。剛度檢算：q=lf=結(jié)論：橫向方木剛度檢算滿足要求。3、立桿穩(wěn)定性分析由Midas/Civil分析結(jié)果得，立桿軸力圖如下圖8-42、8-43所示。圖8-42支架立桿軸力圖圖8-43支架立桿軸力圖計算參數(shù)：立桿最大軸力：N=35.2kN；兩端鉸接，計算長度系數(shù)：u=1.0；面積：570.7(mm2)；回轉(zhuǎn)半徑i：21.2(mm)；立桿長度l=31700mm；長細(xì)比：λ=ul/i=1495.28＞100(屬于長細(xì)桿)；查Q345鋼截面中心受壓直桿的穩(wěn)定系數(shù)為：φ=0.9376。最不利位置穩(wěn)定應(yīng)力按長細(xì)桿壓桿穩(wěn)定計算公式：σ結(jié)論：立桿穩(wěn)定性滿足要求。1.8.4支架剛度分析在考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)的作用下，支架Z軸方向的位移如下圖8-44、8-45所示。圖8-44支架Z軸方向位移圖圖8-45支架Z軸方向位移圖在考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)的作用下，支架Y軸方向的位移如下圖