风荷载作用下索结构避难锣鼓位移的实测与数值模拟

风荷载作用下索结构避难锣鼓位移的实测与数值模拟

1新型大跨度索结构逃避帐设计近年来，中国自然灾害频繁。在发生灾难后，为受害者提供安全的庇护场所已成为全社会的研究重点。然而，原有用于赈灾的帐篷需要在外省市大量生产，地震发生后，公路铁路几乎瘫痪，运输成为最大难题。此外，从灾后救援撤离现场发现，无数临时居住简易房使用后，大部分不能回收利用，在短时间内不能及时地将这些建筑垃圾进行清运处理，造成了严重的环境污染。同时，大量材料的浪费造成了巨大的经济损失。本课题组根据现有传统救灾帐篷的不足，提出了一种新型大跨度索结构避难帐篷，即索-脚手架避难帐篷。其主体框架结构采用脚手架、钢索等，其中索承担水平力，脚手架承担竖向力，通过二者的合理组合形成一种新的结构形式，解决了就地取材、快速搭建等问题。在研制成功的新型大跨度索结构避难帐篷基础上，课题组对该实体结构展开了抗风荷载现场试验，记录了不同风载下实体结构各位置的顶点位移大小，得出了实测风荷载与结构顶点位移之间的变化关系，验证了该新型大跨度索结构避难帐篷的实际稳定性满足设计使用要求，并采用ABAQUS有限元软件对大跨度索结构避难帐篷进行有限元模拟，证明了有限元结果与试验结果有较好的一致性。在此模型基础上，通过降低脚手架材料的刚度，模拟不同刚度条件下结构的风载-位移响应;并模拟了雪荷载作用下的受力性能，计算出此结构在竖向荷载作用下各部件的应力及位移大小。通过模拟发现结构体系应力很小，因此采用顶点位移进行控制。2现场试验了大型烧伤带的结构2.1试验脚手架及装置大跨度索结构避难帐篷具有一种新的结构形式，主要由脚手架、钢索、篷布、连接件、抗拔摩擦桩、紧线器等组成，经多次优化分析确定此最优结构框架方案如图1所示。其中粗实线代表脚手架，细实线代表钢索，本试验主体结构采用施工现场常见的脚手架，脚手架规格为ue78848×3.5，其中竖向脚手架长度为3m，横向脚手架长为4m;拉索采用直径ue78810的单股麻芯钢索;篷布选用PVC涂塑防水篷布;连接件由施工现场ue7888钢筋弯制而成，抗拔摩擦桩由施工现场ue78810钢筋制作，钢筋等级均为Q235;紧线器为M16型花篮螺栓，其最小破断负荷为48kN。其结构传力方式为钢索承担水平荷载，脚手架承担竖向荷载。2.2大跨度索结构逃避帐根据传统帐篷搭建方法，并结合图1所示帐篷框架简图结构特点，新型大跨度索结构避难帐篷施工操作流程如图2所示。(1)放线定位:根据设计出的纵横向跨度大小确定底部节点间间距进行放线定位(纵横向跨度大小可根据实际需要自行确定)，并在指定位置打入预设抗拔摩擦桩，本试验跨度尺寸如图1(b)所示。(2)绑定脚手架:将脚手架平铺在地面上，以组为单位进行连接，以此类推。(3)连接节点:将事先设计好的节点连接件置入脚手架顶端，并锤击嵌实，施工现场实景如图4所示。(4)穿索连接:将索穿过嵌入脚手架中的节点连接件，使索与脚手架连接在一起，此时索为松弛状态;所有穿索施工均在地面进行，穿索过程以半侧俯视图为例(如图3所示)。钢索按设计步骤穿入连接件中，最外侧4条跨拉索(如索1、索3)与脚手架绑接，两W形支撑索(如索4)一端与一侧预设抗拔摩擦桩绑定，另一端通过紧线器5与另一侧的预设抗拔摩擦桩绑接，边索1一端与节点连接件绑接，另一端通过紧线器5与预设抗拔摩擦桩绑接(出于施工方便考虑，抗拔摩擦桩垂直打入地下1.2m深处，并现场试验测得抗拔桩的垂直抗拔拉力大于5.5kN，满足本试验的设计计算要求)。(5)立柱紧索:由于穿索过程均在地面完成，因此只需将索拉紧便可以使主体框架立起，4人同时在一侧拉索，框架起立后将索端的紧线器挂在预先埋好的抗拔摩擦桩上;对钢索施加预先设定的预应力使跨拉索与斜拉索均处于绷紧状态，直到整体结构满足稳定性要求，其现场实景如图5(a)所示。(6)安装帐篷布:帐篷布预先打钉铜扣急眼并绑接长绳，3人由一侧向另一侧拖拽，沿索表面滑行，1人负责整平篷布，在帐篷布达到指定位置后，将篷布与拉索及脚手架绑紧，主体框架结构搭接完成，现场实景如图5(b)所示。图4所示为“新型大跨度索结构避难帐篷”的搭接材料与各节点连接实图，图中包括脚手架、紧线器、连接件、索、扣、抗拔摩擦桩等，并清楚地展示了各构件之间的连接方法。在对各构件按结构形式搭接完成之后，在结构的指定部位加装试验仪器并进行数据的观测测量，大跨度索结构避难帐篷的实体模型如图5(b)所示。新型索结构避难帐篷具有结构稳定性高、可就地取材、使用空间大、可重复利用、搭建速度快等特点。通过试验表明，在灾难发生1小时时间内，通过应急启动储备的方式，4人便可完成可供24人居住的避难帐篷，其具有显著经济效益的同时，必将具有可观的社会效益。2.3大跨度索结构试验使用风速仪与DS03高精密自动安平水准仪测量所需数据，根据伯努利方程推导风荷载:将所测得风速换算成等效风压，其中ωP为风压，单位为kN/m2;γ0为空气密度，单位为kg/m3;ν为风速，单位为m/s。现场实测最大瞬时风速为16.8m/s，根据孙长征等人对此类帐篷结构的有限元分析成果，当对钢索施加2kN预应力时，结构各顶点位移达到最小，为使帐篷的整体稳定性最佳，现场试验时使用拉力传感器测定施加在钢索上的预应力大小为2kN(最佳值)。将计算所得风压与所测边跨J1、J4(参见图1)节点位移绘成风载-位移曲线，如图6所示。图6显示，在风载荷作用下大跨度索结构避难帐篷顶点最大位移小于0.4mm，其顶点位移大小与结构高度之比小于0.00013，试验验证此种结构形式满足结构稳定性与使用舒适度要求。在试验周期内，本试验未能测得当地基于基本风压下50年一遇风荷载标准值作用下帐篷的顶点位移情况，为此采用有限元软件ABAQUS对大跨度索结构避难帐篷基于50年一遇基本风压风荷载标准值作用下的顶点位移情况进行模拟;并依据现有钢材型号种类，适当的降低脚手架刚度并进行模拟分析，验证此结构在不同刚度作用下的抗风载荷受力性能。3现场试验的数值模拟3.1有限元模型建立本文以现场试验实际材料参数为依据，其中篷布选用PVC涂塑防水篷布，采用基于薄壳单元的膜结构进行分析，膜材物理参数为:E1=900MPa,E2=650MPa,G12=31.4MPa，ν12=0.018，ν21=0.025，脚手架使用8节点六面体二次缩减积分单元建模分析，索使用truss单元建模分析，脚手架与钢索的材料属性如表1所示，以此试验数据为基础，建立大跨度索结构帐篷的有限元分析模型如图7所示。垂直于结构表面的风荷载标准值按下式计算:高度z处的风振系数βz取1.0，风压高度变化系数μz取1.0，风荷载体形系数μs取0.8，基本风压ω0取0.55kN/m2。在风荷载标准值ωk作用下，可以得到结构材料变形、塑性区及各顶点的风载-位移曲线等结果，其主体框架应力云图见图8所示，从图中可以看出风载作用下各材质应力小于材料容许应力，满足结构的安全使用要求。3.2初始应力平衡有限元计算分析步骤:(1)定义模型的材料属性及接触面类型，对其网格进行划分;(2)对模型施加初始预应力，进行初始应力平衡;(3)初始预应力平衡完毕后，对模型施加风荷载，荷载方向垂直于篷布表面;(4)进行计算分析，并提取所需计算结果。3.3有限元分析验证由于结构的对称性，选择节点J1、J4作为分析对象，并提取U1方向风压-位移曲线与现场试验测量结果进行分析比对，其计算结果如图9所示。在试验周期内，现场测量未能获得基于基本风压下50年一遇最大风荷载标准值，为此课题组通过有限元数值模拟的方法，获得了风荷载标准值作用下理想的荷载-位移曲线。并与现场实测数据比对分析，结果表明二者拟合较好，由此验证现场试验与有限元分析有较好的一致性;通过图示数据可以看出:风荷载标准值作用下结构各顶点位移均小于1.6mm，顶点位移与结构高度之比小于0.00053，结构可靠度较高，满足设计设用要求。为了取得结构框架在不同刚度条件下的荷载-位移响应，本文依照现有钢材型号种类适当降低脚手架刚度，物理参数取E1=1.91×105MPa,E2=1.76×105MPa，分别对大跨度索结构避难帐篷进行有限元分析。并选节点J1、J4作为分析对象，计算结果见图10所示。从上述分析可以看出:适当降低脚手架材料刚度后，结构在基本风压作用下顶点位移变化很小，证明此类结构选用的脚手架具有足够的强度储备。4结构体系分析在图1所示模型基础上，课题组采用ABAQUS有限元软件对大跨索结构避难帐篷进行了雪荷载标准值作用下的受力性能分析，帐篷顶部水平投影面上的雪荷载标准值计算公式如下:其中:Sk为雪荷载标准值，单位为kN/m2;μr为屋面积雪分布系数;S0为基本雪压，单位为kN/m2;按规范及结构坡脚大小取μr=0.8,S0取当地50年一遇基本雪压0.5kN/m2，结构其他各项性能参数见表1所示，篷布膜材物理参数为E1=900MPa,E2=650MPa,G12=31.4MPa,v12=0.018,v21=0.025，有限元计算模型同上。在雪荷载标准值Sk作用下，可得到结构材料变形，应力、结构各顶点位移等结果，其主体框架应力云图如图11所示。结构各材料最大应力小于其许用应力，满足结构的安全使用要求。由结构的对称性，取节点J1、J4作为分析对象，并提取U1、U2、U3三个方向的雪荷载-顶点位移曲线如图12所示。由雪荷载-顶点位移曲线可以看出，大跨度索结构避难帐篷在雪荷载标准值作用下各顶点最大位移小于1.6mm，满足结构使用安全及舒适度要求。5优化后的区外装置，系统运行稳定本文所研制的大跨度索结构避难帐篷较传统帐篷相比的优势在于:索结构-脚手架避难帐篷不但耐久性好、就地取材、易于储备(体积小，不锈蚀)，同时也便于运输(钢索成卷储备，当交通堵塞后，可通过人工搬运的方法，将其运至灾区)，且安装快捷，可回收(重复)利用。一顶典型的传统避难帐篷可容纳4～6人，面积在20m2左右。而索结构避难帐篷仅通过14根索，15根钢管便可迅速组装成一顶大跨度的索-脚手架避难帐篷，每顶帐篷面积大于90m2，这样在1小时内便可张拉出一顶相当于5顶小帐篷的大帐篷，可容纳24人。若考虑其纵向无限延伸性，其容纳优势更加明显。在经济效益方面，传统的避难帐篷20m2大约需要3500～4500元，容纳人数为7人左右，而大跨索结构避难帐篷90m2仅需要4300元，可容纳24人，显而易见，传统帐篷的人均价格大约为600元/人，而大跨索结构避难帐篷的人均价格仅为179元/人，可见其经济效益占有很大的优势。6模拟结果分析根据对大跨度索结构避难帐篷的数值模拟，结合现场试验结果，可得出如下结论:(1)从结构形式上看，拉索承担横向水平力，脚手架承担竖向力，结构形式受力合理。(2)从索结构避难帐篷的实测和模拟风载-位移曲线一致的结果可以看出，采用本