豎向剪刀撐及平聯對高聳型螺旋鋼管支架穩定性影響分析

周永明（中鐵十七局集團第三工程有限公司，河北 石家莊　050081）

豎向剪刀撐及平聯對高聳型螺旋鋼管支架穩定性影響分析

周永明
（中鐵十七局集團第三工程有限公司，河北 石家莊050081）

分析了高聳型螺旋鋼管支架剪刀撐設置方法，通過理論公式與Midas軟件計算對比，驗證了軟件計算支架結構穩定性的準確性。利用軟件計算4種剪刀撐設置方案下支架整體結構的穩定性，以及增加平聯后支架結構穩定性。計算結果表明，剪刀撐豎向均勻布置、剛度適中的設置原則對提高支架結構穩定性最有效。

高聳型螺旋鋼管支架；支架穩定性；剪刀撐；臨界荷載；屈曲分析

橋梁施工中鋼管混凝土拱肋安裝支架、斜拉橋主塔上橫梁現澆支架［1］，通常設計為高聳型螺旋鋼管落地支架結構，支架高度均在30 m以上，主要通過設置豎向剪刀撐及平聯來保證支架結構的穩定性。目前，關于支架剪刀撐施工與計算的資料較少，導致高聳型支架施工中出現不設支撐或剪刀撐設置不合理、材料浪費等現象，增大了支架結構失穩的風險。

支架穩定性計算常用公式為［2］

N/（φA）≤f（1）式中：N為單根鋼管軸力；φ為穩定系數；A為鋼管橫截面面積；f為材料容許應力。

此計算公式存在一定的局限性，忽略了剪刀撐及平聯對整體結構穩定性的影響。支架剪刀撐及平聯設置僅通過施工經驗布置，不能有效地反映整體支架結構的穩定性。

本文主要從3個方面分析：①利用Midas計算單根螺旋鋼管失穩臨界荷載，再通過理論計算公式驗證軟件計算的準確性；②不同的剪刀撐設置方案對整體高聳型支架結構穩定性的影響；③支撐設置中平聯對支架穩定性的影響。

1　支架穩定性分析

為保證施工中臨時結構正常工作，其必須滿足強度、剛度、穩定性的要求。高聳型支架結構即使強度等性能滿足要求，仍然會出現失穩破壞，故穩定性分析是非常重要的內容。

失穩一般可分為局部失穩和整體失穩［3］。局部失穩是指在鋼結構中，由于板件寬厚比過大，在受壓、受彎、受剪或應力復雜的情況下發生屈曲的現象。整體失穩是指結構在未達到強度極限，甚至未達到屈服極限時，由于側向屈曲引發承載能力喪失，從而導致結構破壞的現象。當結構所受荷載達到某一數值時，若施加一微小的增量，則結構的平衡位置將發生很大的改變，這種情況叫做結構的失穩或屈曲，相應的荷載稱為屈曲荷載或臨界荷載，臨界荷載計算式為［4］

式中：Fcr為結構整體失穩臨界荷載值；E為材料彈性模量；I為截面慣性矩；μ為構件長度系數；l為構件長度。

本文主要計算結構的整體穩定性，Midas屈曲分析用于預測一個理想彈性結構的理論屈曲強度，模型假設為完善體系，符合歐拉公式假設條件［5］。Midas計算臨界荷載Fcr為

式中：α為結構第1模態臨界荷載特征值；P為構件所受外界壓力，即支架上部荷載傳遞到螺旋鋼管的壓力；C為構件自重。

臨界荷載特征值可以反映支架結構整體穩定性，特征值越大、支架穩定性越強，反之則弱［6］。

2　剪刀撐及平聯對支架結構穩定性的影響

2.1計算模型

根據支架結構形式，首先建立單根鋼管模型，計算屈曲臨界荷載特征值，再通過理論計算公式驗證軟件計算結果的準確性。根據單根立管的穩定性計算原理，分別計算4種不同剪刀撐布置方案下的穩定性，并通過修改模型中剪刀撐的型號得出材料強度對支架穩定性的影響規律，在此基礎上計算增加平聯后支架整體結構的穩定性。

在施工中，高聳螺旋管支架最經濟實用的型號為φ630×9 mm。以一項目斜拉橋主塔橫梁現澆支架剪刀撐布置方案為例，驗證軟件計算的準確性。主塔橫梁支架結構采用“碗扣件+單層貝雷梁+鋼管支墩”形式，支架結構鋼管支墩高度40 m，共采用4根鋼管立柱，主梁截面以上豎向設置4組剪刀撐，單組剪刀撐豎向尺寸為4 m，采用［20b型號槽鋼，主塔橫梁恒載、活載根據計算結果分配至單根鋼管立柱軸力為1 250 kN。

2.2單根螺旋鋼管穩定性分析

1）軟件計算結果

建立單根螺旋鋼管模型，屈曲模態數量設為10，以第1模態屈曲特征值為臨界荷載特征值。建立自重荷載工況及軸力荷載工況，其中螺旋鋼管自重設置為常量，軸力設置為變量。

計算第1模態臨界荷載特征值α=0.215 124，故Fcr=267 kN。

2）理論公式計算結果

鋼管高度40 m，根據長細比計算判定為大柔度壓桿，失穩破壞先于強度破壞。φ630×9 mm螺旋鋼管臨界荷載Fcr=269 kN。

對比計算結果可知，二者計算屈曲誤差僅為0.37%。

2.3設置剪刀撐對支架穩定性的影響

支架高度40 m，縱橋向、橫橋向間距均為3.2 m。剪刀撐采用［20b，每一組剪刀撐豎向高度均為4 m。4種支架結構布置方案見圖1。

圖1　4種支架結構布置方案（單位：cm）

利用Midas計算4種剪刀撐布置方案下結構臨界荷載特征值，以臨界荷載特征值＞4為控制條件，選擇最優方案。通過臨界荷載特征值即可得到支架結構的屈服臨界荷載，臨界荷載特征值越大，結構穩定性越強。

通過對4種剪刀撐布置方案的穩定性進行分析，得到屈曲臨界荷載特征值，見表1。其中，方案1屈曲荷載特征值為最大4.26，滿足結構穩定性的要求，其他3種布置方法對結構穩定性均有不同程度地降低。通過比選剪刀撐材料［20，［16可知，［20剪刀撐滿足經濟、安全的要求。因此按照支架豎向均勻布置4組剪刀撐方案對結構穩定性的提高最為顯著。

表1　屈曲臨界荷載特征值

2.4增加平聯對支架結構的影響

高聳型螺旋管支架立柱拼接常采用焊接、栓接結合的連接方法，安裝過程中必須嚴格控制立柱的垂直度。剪刀撐的設置是否需要安裝平聯，平聯對支架結構安裝過程中及結構完全受力后的穩定性是否有所提高，通過對上述4種剪刀撐布置方案增加平聯進行結構穩定性屈曲荷載特征值計算，驗證平聯對結構穩定性的影響。

增加平聯后屈曲臨界荷載特征值見表2。由表2可知，增加平聯后屈曲臨界荷載特征值減小，說明支架結構的穩定性沒有提高反而降低，可見支架剪刀撐的剛度過大對支架結構整體穩定性有不利的影響。因此應根據不同的支架結構形式，合理選擇剪刀撐材料及布置方案。在保證支架穩定性的前提下，剪刀撐應具有較小的變形范圍，分散剪刀撐的應力集中，避免剪刀撐整體剛度過大，導致整體結構穩定性降低。

表2　增加平聯后屈曲臨界荷載特征值

3　應用實例

北京至沈陽鐵路客運專線玉龍特大橋203#，204#墩以120 m系桿拱跨越既有玉龍路，拱肋安裝支架高度25 m。根據剪刀撐對支架整體結構穩定性的計算，臨時支架采用φ180×10 mm鋼管，剪刀撐采用∠75× 8 mm組成2 m×2 m的格構柱，支架高度隨安裝位置高度確定。支架縱橋向采用φ133鋼管構成桁架進行連接，橫橋向采用I32b工字鋼貫通連接，側面用工字鋼與預埋錨頭連接牢固，支架安裝時可采用鋼絲繩臨時固定，防止傾倒，待支架安裝完畢后再拆除鋼絲繩。

根據拱肋節段重量計算荷載，單根立柱荷載為600 kN，建立拼裝支架整體模型，見圖2。計算結構第1模態臨界荷載特征值為4.559 078＞4，滿足現場施工穩定性的要求，支架強度及剛度通過計算滿足規范要求。

圖2　拱肋鋼管支架模型（單位：kN）

支架設計采用φ180×10 mm無縫鋼管，取代常用φ630×9 mm鋼管。剪刀撐材料選用剛度較小的角鋼，降低了拼裝支架的整體用鋼量。現場施工剪刀撐沿支架豎向均勻設置，剛度適中，取得了良好的效果。

4　結論

1）通過理論公式與軟件計算高聳型支架結構穩定性，驗證了軟件計算支架結構穩定性的可行性，避免了采用單根螺旋管穩定系數計算整體結構穩定性的局限性。

2）均勻等間距布置方式對提高整體支架穩定性最為顯著；剪刀撐應該根據支架的高度、螺旋管立柱型號、立柱布置間距等因素選擇合適的材料；單純地提高剪刀撐的強度與剛度并不能提高整體結構的穩定性。

3）在剪刀撐滿足支架結構穩定性的情況下，增加平聯反而會降低整體結構的穩定性，施工中不宜選取剪刀撐剛度過大的設置方案。

［1］朱建軍.連續梁懸臂施工邊跨現澆段支架設計［J］.鐵道建筑，2011（5）：31-33.

［2］滿洪高，李君君，趙方剛.橋梁施工臨時結構工程技術［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［3］姚諫，夏志斌，.鋼結構-原理與設計［M］.2版.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［4］張志國，張慶芳.鋼結構［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［5］葛俊穎.橋梁工程軟件midas Civil使用指南［M］.北京：人民交通出版社，2013.

［6］宗周紅，任偉新.橋梁有限元模型修正和模型確認［M］.北京：人民交通出版社，2012.

（責任審編鄭冰）

Analysis on Influence of Vertical Shear Bracing and Lateral Bracing on Stability of High Spiral Steel Pipe Scaffolding

ZHOU Yongming
（China Railway 17 Bureau Group No.3 Engineering Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

T he setting method of shear bracing of high spiral steel pipe scaffolding was analyzed in this paper. T hrough the comparison of theoretical calculation formula and M idas software，the accuracy of the scaffolding stability was verified by software calculation.Software was used to calculate the scaffolding stability under different shear bracing schemes and after adding lateral bracing.T he principle of shear bracing vertical uniform layout with appropriate stiffness to improve the scaffolding stability is the most effective.

High spiral pipe scaffolding；Scaffolding stability；Shear bracing；Critical load；Buckling analysis

TU391

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.12

1003-1995（2016）08-0050-03

2016-01-10；

2016-05-16

周永明（1976— ），男，高級工程師。