本發(fā)明涉及一種液壓爬模外爬架附著節(jié)點安全系數的計算方法及系統
背景技術：
液壓爬模模架裝備在的超高層核心筒施工中應用廣泛。液壓爬模模架裝備主要由外爬架和內筒架兩大部分構成，這兩部分架體在施工過程能否安全工作是實際工程中重點關注的問題。
就液壓爬模的外爬架而言，正常工作條件下架體依次通過掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓等節(jié)點附著在結構上。因而，這些附著節(jié)點自身的安全性是保證液壓爬模外爬架正常工作的關鍵。
實際工程中通常采用有限元分析技術來保障附著節(jié)點的使用安全，采用的做法是：
(1)由于同一工程中外爬架數量眾多，僅取典型的外爬架進行整體受力分析，求解其附著節(jié)點的水平反力和豎向反力；
(2)建立附著節(jié)點(掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓)的實體有限元模型，將真實的邊界條件和已求得典型外爬架的水平反力和豎向反力施加在有限元模型上，進行有限元分析；
(3)根據有限元分析的結果對各附著節(jié)點進行強度和剛度校核。
常規(guī)做法中典型外爬架的選擇(例如水平寬度最大的外爬架)帶有很強的經驗性，導致整體受力分析得到的附著節(jié)點反力并不能包絡項目的最不利情況，從而無法對項目中所有外爬架附著節(jié)點的安全度做到精確掌控，造成安全隱患。而對所有外爬架逐一建模并進行整體受力分析又會增加大量工作，也會大大增加計算分析的工作量。
技術實現要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種液壓爬模外爬架附著節(jié)點安全系數的計算方法及系統，不需要對超高層項目中所有外爬架進行有限元分析來求解附著節(jié)點反力，能夠快速準確地計算得到所有外爬架附著節(jié)點的安全系數。
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種液壓爬模外爬架附著節(jié)點安全系數的計算方法，包括：
建立外爬架的各附著節(jié)點的實體有限元模型，擬合各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系；
利用解析公式計算外爬架的附著節(jié)點的反力；
根據擬合后的各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系，計算外爬架上各附著節(jié)點的最大應力；
根據計算得到的外爬架上各附著節(jié)點的最大應力，計算外爬架上各附著節(jié)點的安全系數。
進一步的，在上述方法中，建立外爬架的各附著節(jié)點的實體有限元模型，擬合各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系，包括：
分別建立掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的實體有限元模型，按工程實際情況施加邊界條件，輸入不同的豎向反力和水平反力對擬合得到最大應力與附著節(jié)點的水平反力和豎向反力間的關系
σ1max＝c1+kx1Fx+kz1Fz、σ2max＝c2+kx2Fx+kz2Fz、σ3max＝c3+kx3Fx+kz3Fz及σ4max＝c4+kx4Fx+kz4Fz，
式中，σ1max、σ2max、σ3max和σ4max分別為掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的最大應力，Fx和Fz表示外爬架的水平反力和豎向反力，(ci,kxi,kzi)(i＝1,2,3,4)分別為掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的擬合系數。
進一步的，在上述方法中，利用解析公式計算外爬架的附著節(jié)點的反力，包括：
從水平向、豎向以及轉動方向建立外爬架的平衡方程，得到外爬架的總的水平反力TFx和豎向反力TFz，
即和TFz＝G+L，
式中，W1和W2分別為外爬架的外側風荷載和內側風荷載，h1和h2分別外側風荷載和內側風荷載作用點距離附著節(jié)點的豎向距離；
G和L分別為外爬架的自重和施工荷載，hg和hL分別自重和施工荷載作用點距離附著節(jié)點的水平距離；
hr為外爬架支撐架的高度，外爬架上最不利的節(jié)點反力對為(Fx＝ξTFx,Fz＝ξTFz)，式中，l0為外爬架上兩榀三角架間的距離，l1和l2分別為兩榀三角架和與其距離較近的鋼大梁端部的距離。
進一步的，在上述方法中，根據擬合后的各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系，計算外爬架上各附著節(jié)點的最大應力，包括：
將計算得到的外爬架上最不利的節(jié)點反力對(Fx＝ξTFx,Fz＝ξTFz)分別代入到σ1max＝c1+kx1Fx+kz1Fz、σ2max＝c2+kx2Fx+kz2Fz、σ3max＝c3+kx3Fx+kz3Fz及σ4max＝c4+kx4Fx+kz4Fz四個公式中，則得到掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的最大應力σ1max、σ2max、σ3max和σ4max。
進一步的，在上述方法中，根據計算得到的外爬架上各附著節(jié)點的最大應力，計算外爬架上各附著節(jié)點的安全系數，包括：
根據附著節(jié)點的規(guī)格和材料得到掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的最大允許應力值為[σ1max]、[σ2max]、[σ3max]和[σ4max]，則掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的安全系數分別為K1＝[σ1max]/σ1max、K2＝[σ2max]/σ2max、K3＝[σ3max]/σ3max、K4＝[σ4max]/σ4max。
根據本發(fā)明的另一面，提供一種液壓爬模外爬架附著節(jié)點安全系數的計算系統，包括：
關系模塊，用于建立外爬架的各附著節(jié)點的實體有限元模型，擬合各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系；
反力模塊，用于利用解析公式計算外爬架的附著節(jié)點的反力；
應力模塊，用于根據擬合后的各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系，計算外爬架上各附著節(jié)點的最大應力；
安全系數模塊，用于根據計算得到的外爬架上各附著節(jié)點的最大應力，計算外爬架上各附著節(jié)點的安全系數。
進一步的，在上述系統中，所述關系模塊，用于分別建立掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的實體有限元模型，按工程實際情況施加邊界條件，輸入不同的豎向反力和水平反力對擬合得到最大應力與附著節(jié)點的水平反力和豎向反力間的關系
σ1max＝c1+kx1Fx+kz1Fz、σ2max＝c2+kx2Fx+kz2Fz、σ3max＝c3+kx3Fx+kz3Fz及σ4max＝c4+kx4Fx+kz4Fz，
式中，σ1max、σ2max、σ3max和σ4max分別為掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的最大應力，Fx和Fz表示外爬架的水平反力和豎向反力，(ci,kxi,kzi)(i＝1,2,3,4)分別為掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的擬合系數。
進一步的，在上述系統中，所述反力模塊，用于從水平向、豎向以及轉動方向建立外爬架的平衡方程，得到外爬架的總的水平反力TFx和豎向反力TFz，
即和TFz＝G+L，
式中，W1和W2分別為外爬架的外側風荷載和內側風荷載，h1和h2分別外側風荷載和內側風荷載作用點距離附著節(jié)點的豎向距離；
G和L分別為外爬架的自重和施工荷載，hg和hL分別自重和施工荷載作用點距離附著節(jié)點的水平距離；
hr為外爬架支撐架的高度，外爬架上最不利的節(jié)點反力對為(Fx＝ξTFx,Fzξ＝Tz)，F式中，l0為外爬架上兩榀三角架間的距離，l1和l2分別為兩榀三角架和與其距離較近的鋼大梁端部的距離。
進一步的，在上述系統中，所述應力模塊，用于將計算得到的外爬架上最不利的節(jié)點反力對(Fx＝ξTFx,Fz＝ξTFz)分別代入到σ1max＝c1+kx1Fx+kz1Fz、σ2max＝c2+kx2Fx+kz2Fz、σ3max＝c3+kx3Fx+kz3Fz及σ4max＝c4+kx4Fx+kz4Fz四個公式中，則得到掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的最大應力σ1max、σ2max、σ3max和σ4max。
進一步的，在上述系統中，所述安全系數模塊，用于根據附著節(jié)點的規(guī)格和材料得到掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的最大允許應力值為[σ1max]、[σ2max]、[σ3max]和[σ4max]，則掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的安全系數分別為K1＝[σ1max]/σ1max、K2＝[σ2max]/σ2max、K3＝[σ3max]/σ3max、K4＝[σ4max]/σ4max。
與現有技術相比，本發(fā)明根據解析關系求解液壓爬模外爬架的節(jié)點反力，由各附著節(jié)點最大應力與其豎向反力和水平反力間的線性關系得到附著節(jié)點的最大應力，進而得到各外爬架附著節(jié)點的安全系數，本發(fā)明不需要對超高層項目中所有外爬架進行有限元分析來求解附著節(jié)點反力，能夠快速準確地計算得到所有外爬架附著節(jié)點的安全系數。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一實施例的液壓爬模外爬架附著節(jié)點安全系數的計算方法及系統的流程圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
實施例一
如圖1所示，本發(fā)明提供一種液壓爬模外爬架附著節(jié)點安全系數的計算方法，包括：
(1)，建立外爬架的各附著節(jié)點的實體有限元模型，擬合各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系；在此，建立各附著節(jié)點的實體有限元模型，確定各附著節(jié)點最大應力與其承受的水平反力和豎向反力間的線性關系；
(2)，利用解析公式計算外爬架的附著節(jié)點的反力；在此，根據液壓爬模外爬架附著節(jié)點反力與其自重、風荷載、施工荷載、支撐三角架位置及自身外形的解析關系求解節(jié)點反力；
(3)，根據擬合后的各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系，計算外爬架上各附著節(jié)點的最大應力；
(4)，根據計算得到的外爬架上各附著節(jié)點的最大應力，計算外爬架上各附著節(jié)點的安全系數。在此，本發(fā)明主要基于兩點：(1)實際工程中附著節(jié)點均要求在彈性條件下工作，特定附著節(jié)點的約束條件是確定的，其最大應力與附著節(jié)點最大豎向反力和水平反力存在線性關系；(2)液壓爬模外爬架附著節(jié)點的反力與其自重(G)、風荷載(W)、施工荷載(L)、支撐三角架的位置及自身外形尺寸有關，可以通過解析方法求得，本發(fā)明不需要對超高層項目中所有外爬架進行有限元分析來求解附著節(jié)點反力，能夠快速準確地計算得到所有外爬架附著節(jié)點的安全系數。
本發(fā)明一實施例中，(1)，建立外爬架的各附著節(jié)點的實體有限元模型，擬合各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系，包括：
分別建立掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的實體有限元模型，按工程實際情況施加邊界條件，輸入不同的豎向反力和水平反力對擬合得到最大應力與附著節(jié)點的水平反力和豎向反力間的關系
σ1max＝c1+kx1Fx+kz1Fz、σ2max＝c2+kx2Fx+kz2Fz、σ3max＝c3+kx3Fx+kz3Fz及σ4max＝c4+kx4Fx+kz4Fz，
式中，σ1max、σ2max、σ3max和σ4max分別為掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的最大應力，Fx和Fz表示外爬架的水平反力和豎向反力，(ci,kxi,kzi)(i＝1,2,3,4)分別為掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的擬合系數。
本發(fā)明一實施例中，(2)利用解析公式計算外爬架的附著節(jié)點的反力，包括：
從水平向、豎向以及轉動方向建立外爬架的平衡方程，得到外爬架的總的水平反力TFx和豎向反力TFz，
即和TFz＝G+L，
式中，W1和W2分別為外爬架的外側風荷載和內側風荷載，h1和h2分別外側風荷載和內側風荷載作用點距離附著節(jié)點的豎向距離；
G和L分別為外爬架的自重和施工荷載，hg和hL分別自重和施工荷載作用點距離附著節(jié)點的水平距離；
hr為外爬架支撐架的高度，外爬架上最不利的節(jié)點反力對為(Fx＝ξTFx,Fz＝ξTFz)，式中，l0為外爬架上兩榀三角架間的距離，l1和l2分別為兩榀三角架和與其距離較近的鋼大梁端部的距離。
本發(fā)明一實施例中，(3)，根據擬合后的各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系，計算外爬架上各附著節(jié)點的最大應力，包括：
將計算得到的外爬架上最不利的節(jié)點反力對(Fx＝ξTFx,Fz＝ξTFz)分別代入到σ1max＝c1+kx1Fx+kz1Fz、σ2max＝c2+kx2Fx+kz2Fz、σ3max＝c3+kx3Fx+kz3Fz及σ4max＝c4+kx4Fx+kz4Fz四個公式中，則得到掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的最大應力σ1max、σ2max、σ3max和σ4max。
本發(fā)明一實施例中，(4)，根據計算得到的外爬架上各附著節(jié)點的最大應力，計算外爬架上各附著節(jié)點的安全系數，包括：
根據附著節(jié)點的規(guī)格和材料得到掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的最大允許應力值為[σ1max]、[σ2max]、[σ3max]和[σ4max]，則掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的安全系數分別為K1＝[σ1max]/σ1max、K2＝[σ2max]/σ2max、K3＝[σ3max]/σ3max、K4＝[σ4max]/σ4max。
以下結合附圖1對該發(fā)明的具體步驟進行詳細說明：
第(1)步分別建立掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的實體有限元模型，按工程實際情況施加邊界條件，輸入不同的豎向反力和水平反力對可擬合得到最大應力與附著節(jié)點水平反力和豎向反力間的關系
σ1max＝c1+kx1Fx+kz1Fz (1)
σ2max＝c2+kx2Fx+kz2Fz (2)
σ3max＝c3+kx3Fx+kz3Fz (3)
σ4max＝c4+kx4Fx+kz4Fz (4)
式中，σ1max、σ2max、σ3max和σ4max分別為掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的最大應力。Fx和Fz分別表示外爬架附著節(jié)點的水平反力和豎向反力。
(ci,kxi,kzi)(i＝1,2,3,4)分別為掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的擬合系數。同一工程中，附著節(jié)點(掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓)的規(guī)格一致，掛鉤、爬升靴、附墻支座和錨栓的實體有限元模型僅需建立一次，公式(1)、公式(2)、公式(3)公式(4)也只需擬合一次。
第(2)步求附著節(jié)點的水平反力和豎向反力。先按照公式(5)公式(6)分別計算每個外爬架的總水平反力(TFx)和豎向反力(TFz)
TFz＝G+L (6)
公式(5)和公式(6)可以通過從水平向、豎向以及轉動方向對外爬架建立平衡方程得到。式中，W1和W2分別為外爬架的外側風荷載和內側風荷載，h1和h2分別外側風荷載和內側風荷載作用點距離附著節(jié)點的豎向距離；G和L分別為外爬架的自重和施工荷載，hg和hL分別自重和施工荷載作用點距離附著節(jié)點的水平距離；hr為外爬架支撐架的高度。繼而按照公式(7)和公式(8)計算外爬架的最不利的節(jié)點反力對，即
Fx＝ξTFx (7)
Fz＝ξTFz (8)
式中，l0為外爬架上兩榀三角架間的距離，l1和l2分別為兩榀三角架和與其距離較近的鋼大梁端部的距離。
第(3)步將第(2)步計算得到的外爬架的最不利節(jié)點反力對(Fx＝ξTFx,Fz＝ξTFz)分別代入到第(1)步中的公式(1)～公式(4)中，則可得到掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的最大應力σ1max、σ2max、σ3max和σ4max。
第(4)按照公式(9)、公式(10)、公式(11)和公式(12)分別計算每個外爬架上的掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的安全系數
K1＝[σ1max]/σ1max (9)
K2＝[σ2max]/σ2max (10)
K3＝[σ3max]/σ3max (11)
K4＝[σ4max]/σ4max (12)
式中，[σ1max]、[σ2max]、[σ3max]和[σ4max]分別為可得到掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的最大允許應力值，可根據相應節(jié)點的材料和規(guī)格得到。
實施例二
根據本發(fā)明的另一面，提供一種液壓爬模外爬架附著節(jié)點安全系數的計算系統，包括：
關系模塊，用于建立外爬架的各附著節(jié)點的實體有限元模型，擬合各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系；
反力模塊，用于利用解析公式計算外爬架的附著節(jié)點的反力；
應力模塊，用于根據擬合后的各附著節(jié)點的最大應力與其承受的反力間的關系，計算外爬架上各附著節(jié)點的最大應力；
安全系數模塊，用于根據計算得到的外爬架上各附著節(jié)點的最大應力，計算外爬架上各附著節(jié)點的安全系數。
進一步的，在上述系統中，所述關系模塊，用于分別建立掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的實體有限元模型，按工程實際情況施加邊界條件，輸入不同的豎向反力和水平反力對擬合得到最大應力與附著節(jié)點的水平反力和豎向反力間的關系
σ1max＝c1+kx1Fx+kz1Fz、σ2max＝c2+kx2Fx+kz2Fz、σ3max＝c3+kx3Fx+kz3Fz及σ4max＝c4+kx4Fx+kz4Fz，
式中，σ1max、σ2max、σ3max和σ4max分別為掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的最大應力，Fx和Fz表示外爬架的水平反力和豎向反力，(ci,kxi,kzi)(i＝1,2,3,4)分別為掛鉤、爬升靴、附墻支座、錨栓的擬合系數。
進一步的，在上述系統中，所述反力模塊，用于從水平向、豎向以及轉動方向建立外爬架的平衡方程，得到外爬架的總的水平反力TFx和豎向反力TFz，
即和TFz＝G+L，
式中，W1和W2分別為外爬架的外側風荷載和內側風荷載，h1和h2分別外側風荷載和內側風荷載作用點距離附著節(jié)點的豎向距離；
G和L分別為外爬架的自重和施工荷載，hg和hL分別自重和施工荷載作用點距離附著節(jié)點的水平距離；
hr為外爬架支撐架的高度，外爬架上最不利的節(jié)點反力對為(Fx＝ξTFx,Fz＝ξTFz)，式中，l0為外爬架上兩榀三角架間的距離，l1和l2分別為兩榀三角架和與其距離較近的鋼大梁端部的距離。
進一步的，在上述系統中，所述應力模塊，用于將計算得到的外爬架上最不利的節(jié)點反力對(Fx＝ξTFx,Fz＝ξTFz)分別代入到σ1max＝c1+kx1Fx+kz1Fz、σ2max＝c2+kx2Fx+kz2Fz、σ3max＝c3+kx3Fx+kz3Fz及σ4max＝c4+kx4Fx+kz4Fz四個公式中，則得到掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的最大應力σ1max、σ2max、σ3max和σ4max。
進一步的，在上述系統中，所述安全系數模塊，用于根據附著節(jié)點的規(guī)格和材料得到掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的最大允許應力值為[σ1max]、[σ2max]、[σ3max]和[σ4max]，則掛鉤、爬升靴、附墻支座及錨栓的安全系數分別為K1＝[σ1max]/σ1max、K2＝[σ2max]/σ2max、K3＝[σ3max]/σ3max、K4＝[σ4max]/σ4max。
實施例二的其它詳細內容具體可參見實施例一的對應部分，在此不再贅述。
綜上所述，本發(fā)明根據解析關系求解液壓爬模外爬架的節(jié)點反力，由各附著節(jié)點最大應力與其豎向反力和水平反力間的線性關系得到附著節(jié)點的最大應力，進而得到各外爬架附著節(jié)點的安全系數，巧妙地利用了實際工程中附著節(jié)點均要求在彈性條件下工作，附著節(jié)點的約束條件是確定的，其最大應力與附著節(jié)點最大豎向反力和水平反力存在線性關系，通過解析方法得到了液壓爬模外爬架附著節(jié)點的反力與其自重、外荷載、支撐三角架的位置及自身外形的關系，本發(fā)明不需要對超高層項目中所有外爬架進行有限元分析來求解附著節(jié)點反力，避免了大量地建立外爬架有限元模型，能夠快速準確地計算得到所有外爬架附著節(jié)點的安全系數，效率高且準確，為保障超高層核心筒的施工安全提供了技術支撐。
本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
專業(yè)人員還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結合來實現，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業(yè)技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發(fā)明的范圍。
顯然，本領域的技術人員可以對發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內。