某地鐵車站扣件式鋼管模板支架穩定性計算與分析

摘 要：以地鐵站工程為研究背景，按照國內有關學者的研究成果中所提供的方法，對地鐵車站頂板雙向受的模板支架進行設計與計算，確定了該工程模板支架的搭設參數。采用大型有限元軟件對設計方案進行承載力驗算，結果表明：本工程模板支架所選擇的計算方法科學合理，設計方案安全可靠。

關鍵詞：地鐵車站；模板支架；雙向荷載；數值分析

隨著城市地鐵的快速發展，由鋼扣件和鋼管組成的模板支架由于構造簡單、通用性強、使用成本相對較低、安全性較好等原因在地鐵車站頂板施工中得到廣泛應用。但是由于規范的制定不完善，管理不科學所造成的事件頻頻發生，高支模架的計算與分析已成為目前困擾建筑業的一大難題。近年來，國內對雙排扣件式鋼管腳手架的試驗和理論分析成果較多[1-3]，而扣件式鋼管模板支架的研究則較少。一般情況下，扣件式鋼管模板支架只承載豎向荷載，文獻[4]中提出模板支撐體系還受到水平荷載作用，如搭設偏差對立桿誘發水平作用力，輸送混凝土時泵管的水平沖力，澆注混凝土時振搗器的水平振動力等。然而在地鐵結構施工中，模板支架除了需要承受豎向荷載和搭設偏差對立桿誘發水平作用力等水平荷載外，還需承受側墻施工時產生的水平荷載。本文以某地鐵工程施工為例，對模板支架受雙向荷載作用時的穩定承載力進行了理論計算，并結合有限元分析與只承受豎向荷載時模板支架的穩定承載力進行對比，給此類扣件式鋼管模板支撐體系的方案設計與安全分析提供可靠依據[5]。

1.工程概況

某地鐵換乘站位于十字路口處，基坑兩側規劃道路寬均為50m，西南象限與西北象限均為辦公樓，車站東南象限為一商廈，東北象限為某在建大廈，上跨環形天橋。車站共三層，車站全長194.8m，節點寬度為25.1m，，標準段寬度為22.7m，底板底面埋深約20.5 m，頂板覆土厚度約3m。根據圍護結構和主體工程施工位置關系，負三層結構的層高為6.3 m，負二層結構層高6.41 m，負一層結構層高5.75 m，如圖1所示。

車站結構采用鋼筋混凝土箱型框架結構，基坑圍護結構為鉆孔灌注樁，設三道水平支撐，主體結構采用明挖順做法施工，局部鋪蓋，標準段基坑開挖深度為16.11m，節點段開挖深度為22.61m，總開挖量為160000m3。

2.模板支架設計與計算

2.1 材料與計算荷載

該工程采用碗扣式鋼管支架，水平桿、立桿均選為 48×3.5普通鋼管，自重38.4N/m。鋼管、碗扣鋼材為Q235-A，強度極限值[ ]為215MPa，水平桿件容許撓度值[ ]為3mm，主要受壓構件（立柱）的容許長細比[ ]為150。根據經驗選取模板支架縱距為1000 mm，橫距為900，步距為800 mm。

考慮混凝土的側向壓力全部由滿堂架承受，而水平桿作為主要受力桿件，因此水平桿按兩端鉸接的軸心受壓桿件計算，計算長度L為立桿間距。將作用于滿堂架上的線性均布荷載最后簡化為每一根水平桿上的集中荷載。經計算，側向模板對每根水平桿施加的水平力FH=25.56 kN，支架頂部模板對每根立桿施加的豎向力P=24.33 kN，模板對水平桿總側最大壓力60.5 kN，選取換乘節點處負二層板進行承載力驗算，整個模架長寬均為25m。

2.2 高支模架立桿承載力驗算

將扣件支撐力按照最不利位置布置在一個立桿跨距上，水平桿間距L=0.8 m，按兩端鉸接的軸心受壓構件計算，計算長度L=0.8m，則長細比： ，根據JGJ162—2008《建筑施工模板安全技術規范》附錄D，得軸心受壓桿件穩定系數 ，則：

2.3 高支模架水平桿承載力驗算

將作用于滿堂架上的線性均布荷載最后簡化為每一根水平桿上的集中荷載，計算長度L=1m，則長細比： ，得軸心受壓桿件穩定系數 ，故軸心受壓軸向力限值：

2.4 高支模架整體穩定承載力驗算

將立桿視為兩端鉸接的軸心受壓構件進行計算，計算長度L=0.8m，長細比： ，得軸心受壓桿件穩定系數 ，故立桿軸心受壓軸向力限值：

故支架整體穩定性滿足要求。

根據理論計算，選取模板支架縱距為1000 mm，橫距為900，步距為800 mm。車站負二層頂板模板支架長度方向25跨，寬度方向27跨，高度方向為8跨，掃地桿長度為0.2m，頂端伸出水平桿長度為0.2m。考慮縱向剪刀撐對模架穩定承載力的影響，參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》相關規定和杜榮軍對縱向剪刀撐的要求[6]，并根據實際情況在模架四周布滿豎向剪刀撐。

3.模板支架穩定性有限元分析

3.1有限元模型的建立

本文主要應用SAP2000有限元軟件，根據實際情況建立合理的模型，選擇科學的求解器、控制方法或分析參數，進行靜力分析，基本假定如下[7]：

（1）本文模型為三維空間桿件結構體系，考慮高支模體系荷載較大，上、下端假定與模板和底座鉸接，剪刀撐與體系鉸接；

（2）忽略地震荷載，風荷載及其他水平荷載；

（3）模架豎直桿均為軸心受壓，均勻承受荷載，整個架體失穩時的軸壓為架體穩定承載力；

（4）大量實地調研發現，實際施工過程中存在模板支架所使用的鋼管生產標準不統一、施工過程中工人操作不規范等因素，導致模板支架存在大量初始缺陷。本文通過將廣義假想水平力施加在架體弱向一側平面內各節點上來模擬架體初始缺陷，其值由試驗確定，取極限承載力的1.2%～2.5%[8]。

（5）因桿件間是用扣件連接的，所以節點處應考慮半剛性。節點剛度取85.96kN·m/rad[9]。

根據上述假設，建立有限元模型如圖2，計算典型結果如圖3：

根據有限元分析結果，可以知道：按本工程擬定方按進行模板支架搭設，立桿受力最大值為16.258kN，水平桿受力最大值為8.126kN，剪刀撐受力最大值為10.231kN，均能滿足要求。故本方案設計合理。

4.結論

本文以某地鐵工程施工為例，對模板支架受雙向荷載作用時的穩定承載力進行了理論計算，并結合有限元分析與只承受豎向荷載時模板支架的穩定承載力進行對比，可以得到以下結論：

（1）采用有限元法對模板支架進行承載力驗算，能夠較好的進行三維計算，真實反映架體的實際受力狀態；

（2）對于類似于本工程的地下工程，在進行模板支架設計時，應考慮模板支架雙向受力狀態，否則，計算出的支架穩定承載力將會偏大，給施工安全帶來威脅；

（3）進行有限元計算時，必須對支架節點及剛管的約束情況進行力學簡化，對模板支架存在初始缺陷應根據相關研究成果進行假定，方可得出較為適用的計算結果。

參考文獻

[1]施炳華.探討扣件式鋼管腳手架的穩定計算問題[J].施工技術，2004，33（2）.

[2]杜榮軍.腳手架結構的穩定承載能力[J].施工技術，2001，30（4）.

[3]敖鴻斐.雙排扣件式鋼管腳手架整體極限承載力研究[D].上海：同濟大學，2000.

[4]陳園卿，章雪峰，胡威詣.水平荷載作用下混凝土結構扣件式鋼管模板高支撐體系受力分析[J].建筑技術，2007，38（8）.

[5]曾凡奎，胡長明，葛召深等.雙向荷載作用下扣件式鋼管模板支架穩定性分析[J].工業建筑，2010（2）.