浅析Midas/Gen有限元分析软件与品茗安全计算软件的综合应用

浅析Midas/Gen有限元分析软件与品茗安全计算软件的综合应用

常青

中国水利水电第八工程局有限公司基础设施公司 湖南省长沙市410004

[摘要]在房建工程项目主体结构施工过程中，临时支撑体系具有重要的作用，其设计与计算的合理性对主体结构施工的质量和安全，以及措施成本控制影响重大。房建工程项目专项施工方案编制过程中，一般用品茗安全计算软件对临时支撑体系等进行安全计算能满足要求。但随着现代建筑设计风格的多样化，异型结构、大跨度结构、架空结构等复杂的建筑结构设计在房建项目上出现越来越多，其专项施工方案的编制和实施可能涉及多种临时支撑受力体系的组合和计算，这就对计算的准确性和可靠性要求越来越高，单靠品茗安全计算软件无法满足计算需求。需要更精确和有效的计算方法来验证临时支撑体系设计的安全性和可靠性。本论文以某项目高层住宅的连梁结构线条施工方案的编制过程为背景，以Midas/Gen有限元分析软件为主，品茗安全计算软件为辅，对其临时支撑体系（钢平台+钢管扣件式支模架）进行模拟施工计算。为复杂的临时支撑体系的计算提供一种有效方案。本论文通过简述计算步骤和对关键参数的对比分析，得出结论：综合应用Midas/Gen有限元分析软件和品茗安全计算软件的计算方法可靠性高，提高了专项施工方案编制的有效性。Midas/Gen软件绘制的临时支撑体系模型能出图指导现场施工，有利于施工过程的安全控制。

[关键词] Midas/Gen有限元分析软件；品茗安全计算软件；架空结构临时支撑体系设计和计算

0引言

近年来，房建工程项目因临时支撑体系的原因发生了多起安全事故，主要原因一是由于施工过程未按专项施工方案实施，二是由于临时支撑体系计算与方案描述不匹配，未充分考虑临时支撑体系的施工过程受力状态，仅考虑使用状态受力和稳定性是否满足要求，不能有效指导现场实施，从而导致发生安全事故。为此，要求在方案计算中细化各施工阶段，这可能会增加方案计算的工作量，但提高了专项方案的有效性和可靠性。本论文通过某项目高层住宅连架空梁结构施工的临时支撑体系（钢平台+钢管扣件式支模架），运用Midas/Gen软件从临时支撑体系的搭设到使用，分工况进行细化计算，并与品茗安全计算软件计算结果进行对比和辅助验算，为复杂的临时支撑体系计算提供一种新的思路。

1软件介绍

1.1Midas/Gen有限元分析软件

Midas/Gen是一款建筑结构通用有限元分析和设计软件（以下简称Midas/Gen软件），适用于钢筋混凝土结构、钢结构、钢骨混凝土结构、组合结构、空间大跨结构、高层及超高层建筑结构等工业与民用建筑、各类特种结构（筒仓、水池、大坝、塔架、网架及索缆结构）等。可以导入PKPM、AutoCAD、SAP、STAAD等文件，便于互相校核。可按国内新规范输出各种结果，同时可以实现平法输出配筋结果简图、钢结构验算结果简图等及设计计算书文本输出。

1.2品茗安全计算软件

品茗安全计算软件是《品茗施工安全设施计算软件》(PM-CSC)的简称（以下简称品茗软件），由杭州品茗科技有限公司设计开发。软件将施工安全技术和计算机科学有机的结合起来，针对施工现场的特点和要求，依靠有关国家规范和地方规程，为施工技术人员编审安全专项施工方案和安全技术管理提供便捷的一款工具软件。品茗安全计算软件包括脚手架、模板、塔吊、临时用电用水、降排水、钢筋支架、混凝土、结构吊装、基坑、垂直运输设施、爆破、冬期施工、顶管施工等十三个模块。

由此可知，Midas/Gen软件主要服务于工程设计阶段，品茗软件主要服务于工程施工阶段，但模块化的品茗软件不能直接用于复杂的结构体系的受力计算，本文将两者结合运用，细化了复杂的临时支撑体系的受力计算，使其更趋合理。

2某项目高层住宅架空连梁结构设计简介

某项目工程内容有高层住宅、综合楼、商业大门、地下车库等建筑组成。高层住宅建层数为26层；在第23层和第24层设计有架空的连梁结构线条，连梁两侧连接电梯井剪力墙结构，具体设计参数详见表1。

表1各高层住宅架空连梁结构线条设计参数

图1高层住宅连梁线条效果图

3架空连梁结构临时支撑体系设计简介

该项目架空连梁支撑体系由两部分组成，一是架空钢平台结构，主要由工字钢和钢拉杆组成，搭设在第22层的两个电梯井之间，二是钢管扣件式支模架体，搭设在钢平台上支撑上层的连梁结构。具体如下：

在第22层两电梯井中间架设3排12m长的20#工字钢主钢梁，在两个电梯井北侧加设钢牛腿和斜向支撑，在刚牛腿上架设1排12m长的20#工字钢主钢梁，与前面的3排主钢梁共同形成受力主体。前面3排主钢梁下焊接带45°角的16#工字钢斜向支撑，长度为3m，斜向支撑下端焊接端钢板与剪力墙用高强螺栓固定。最外侧主钢梁上设两组20#钢拉杆对拉共同受力，在主钢梁上分布16#工字钢分配钢梁，主钢梁与分配钢梁之间采用U型螺栓可靠连接，必要时在其接触面增加焊接连接，以增强钢平台的整体稳定性。钢平台上搭设扣件式支模架，立杆间与分配钢梁分布间距相同，在分配梁顶立杆位置焊接φ25钢筋，以限制支架立杆受力后发生位移。

图2钢平台平面布置图（单位：mm）

4工况分析及模型建立

4.1工况分析

根据其结构及受力情况，分为两个阶段进行计算。

（1）工况一：

第23层的连梁1及其支模架的重量全部由钢平台承担，连梁1分层浇筑，第一层浇筑700mm高，待终凝强度达到75%后浇筑第二层500mm高，计算连梁1高度度取1200mm。

（2）工况二：

第24层的连梁2及其支模架重量由钢平台和连梁1共同承担，连梁1强度需达到100%，连梁2同样采取分层浇筑，计算连梁2高度取1200mm。

4.2Midas/Gen软件模型的建立与分析步骤

（1）定义材料和截面特征：钢平台、支架钢管、钢拉杆等所有用到的材料和截面。

（2）建立结构结构模型：按施工方案图建立节点和单元，节点一般在支撑部位、集中荷载、两个单元的连接处、边界条件等部位，节点坐标为三维空间坐标。

（3）定义边界条件及边界组：根据实际情况将一般支座、弹性连接、释放梁端约束等边界条件赋予单元节点上，将边界条件定义为边界组。

（4）定义荷载及荷载组：包括恒荷载（钢平台及支模架自重）、施工荷载等。

（5）定义施工阶段：根据不同工况，建立不同工况的结构、边界条件、荷载组合等模型和参数，分别进行分析。

（6）设定屈曲分析参数，运行分析模型。

（7）查看分析计算结果，主要查看的结果有支座反力、拉杆拉力、钢平台和支模架的受力和变形等稳定性分析。

图3工况一（左）、工况二（右）Midas/Gen模型建立

根据不同工况的分析对比，可知工况一的支模架受偏心荷载，完全需要钢平台承担施工荷载，工况二因为有连梁1的结构强度保证，与钢平台共同参与受力，因此工况一的受力情形最不利。

5 对支模架部分的荷载进行对比分析

支模架及结构荷载是主要的荷载来源，为保证计算结果的可靠性，用品茗软件的模板工程模块进行验算论证，尤其是要对工况一进行验算。

5.1在Midas/Gen软件分析结果中选取工况一的支模架立杆反力

图4Midas/Gen软件分析的工况一支模架立杆反力（单位：kN）

Midas/Gen软件计算的最大的四排立杆反力结果为：P1＝0.82kN，P2＝4.54kN，P3＝4.63kN，P4＝6.06kN。

5.2品茗软件对最不利工况下支模架进行验算

用品茗安全计算软件的模板工程模块，选择“梁模板（扣件式，梁板立柱不共用）”，按设计方案输入工况一的相关参数和选择施工荷载大小和荷载组合。核查生成的计算书，判断是否满足施工要求。

图4工况一支模架参数（单位：mm）

在方案计算符合要求的前提下，品茗软件计算的工况一支模架四排立杆最大反力：P1＝0.204kN，P2＝1.942kN，P3＝13.828kN，P4＝5.289kN。

图5品茗软件计算的支架立杆最大反力（单位：kN）

6数据对比分析

由前两步可知，该临时支撑体系用Midas/Gen软件计算的支架立杆总反力小于品茗软件计算的立杆总反力，且Midas/Gen软件分析的模型对于支模架上部的施工荷载分散传递到支架边缘立杆的反力大于品茗软件计算的反力。即在支模架的受力分析上，品茗软件计算的结果比Midas/Gen软件分析的结果更不利。

两个软件对支模架计算结果有偏差原因分析如下。

（1）Midas/Gen软件中定义的边界条件与品茗软件的模块有差异，Midas/Gen软件定义的扣件节点旋转刚度系数为20kN·m/rad。而品茗软件中内置计算模块的单扣件抗滑移最大受力为8kN。模型中边界条件的设定不同，影响了支模架的模拟受力情况，因此荷载在支模架立杆的传递上产生了差异。

（2）荷载组合方面，Midas/Gen软件中荷载组合系数虽然与品茗软件中的相同。但对于其他附加荷载及其加载方式有差异。Midas/Gen软件需要在模型的单元和节点上施加荷载，需要手动建立和输入。品茗软件对支架的荷载的组合是软件自动生成。

因此，需要将两个软件计算的结果进行综合后再次分析和验算，步骤如下。

（1）只用Midas/Gen软件建立非支架部分的钢平台结构模型，保留支架与钢平台与支架立杆的节点。

（2）因品茗软件计算的结果更不利，则用品茗软件的计算的立杆反力，以节点荷载的形式施加到Midas/Gen钢平台模型相应的节点上。重新选取边界条件和荷载组合进行运行分析，再验算分析的结果。品茗软件计算的立杆反力是已经乘了相应的荷载分项系数的，因此在Midas/Gen软件模型中，对于立杆反力的节点荷载系数取1.0，钢平台自重荷载按工况需求取系数。

7数据带入模型再分析

（1）先分析钢平台受力最大的节点，分析各规格的材料最大应力和变形是否满足材料本身的强度和刚度要求。

图6钢平台应力和变形分析

（2）对于焊接节点、螺栓连接的节点、钢拉杆节点的受力情况进行分析。将Midas/Gen软件的分析的数据和设计方案的相关参数带入品茗软件的相关模块进行验算，看各连接节点是否满足要求。

（3）对于工况二，则选取完全由连梁1受力的最不利工况，不考虑钢平台对连梁2施工的强度贡献。验算连梁1的配筋、混凝土强度和裂缝是否满足连梁2施工要求。因只有两条连梁结构，施工工作量小，施工时间较短，且钢平台是临时支撑结构，后期会拆除，不考虑混凝土收缩徐变产生的内应力。

通过以上分析步骤，在计算结果合格的前提下，选取需要的Midas/Gen软件分析截图和数据与品茗软件的计算数据编制计算书，从而弥补了品茗软件对于复杂的临时支撑体系计算的不足。

8结束语

通过以上案例分析可知，Midas/Gen软件和品茗软件对结构的安全性计算方面各有所长，也有其局限性。对于受力情况复杂的临时支撑体系的计算，结合这两种软件的优势，能提高计算的精确度。也为施工控制提供了可靠的依据和需重点关注的环节，比如计算结果的中的变形位移，可以采取对变形较大部位采取设置预拱度等相应措施去抵抗临时支撑体系受载后的变形，做到有的放矢，抓重点、抓关键，在满足施工要求的同时确定最经济的措施投入。

Midas/Gen软件和品茗软件的综合应用，取各软件的优点，提高了计算的精度，两者计算的数据和结果可以相互校验和套用，减少了计算书计算公式的罗列，Midas/Gen软件生成的可视化模型屈曲分析结果也更直观，模型图也能更好的指导专项方案在现场的实施，提高了专项施工技术方案编制的效率和可靠性。工程技术人员应熟悉和掌握这两种软件的综合应用，有利于施工过程的安全控制和提高项目的经济效益。

参考文献

[1]北京迈达斯技术有限公司，Midas/Gen工程应用指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2012。

[2]《钢结构设计标准》GB50017－2017[S].北京：中国建筑工业出版社,2018年。

[3]《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011[S].北京：中国建筑工业出版社,2011年。

[4]陈迎春等，Midas/Gen在建筑结构施工分析中的应用研究[J].建筑结构，2010年4月增刊。

[5]张韬，Midas/Gen在施工过程仿真分析中的应用[J].城市建设理论研究，2011年。

作者简介

常  青：出生年月1989年2月，男，汉族，湖南省汨罗市人，本科学历，工学学士学位，工程师，主要研究方向为房建项目施工技术管理。