盤扣式鋼管獨立支撐塔架承載力研究

馮巍貽 梁昊慶

(上海建工集團股份有限公司 上海 200080)

0 引言

實際工程中，經常會遇到人貨梯需安裝在地下室頂板上的情況。此時，需要對地下室頂板結構進行臨時加固。如采用φ609鋼管、H型鋼等材料進行加固，加固材料不便于運輸起吊和安裝就位，因此可采用鋼管支架。

盤扣件式鋼管支架相比，盤扣式鋼管獨立支撐塔架具有整體穩定、施工工效、受力性能、安全可靠等方面的優勢，適合作為地下室頂板結構的臨時加固措施。但《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規范》(JGJ231-2010)[1]條規定：“對長條狀的獨立高支模架，架體總高度與架體的寬度之比H/B不宜大于3。”然而，實際應用中，獨立支撐塔架的高寬比往往超過限值。若采用一般模板支撐架進行計算，未考慮高寬比增大的影響，則會出現偏于不安全的情況。雖規范規定“當模板支架搭設成雙向均有豎向斜桿的獨立方塔架形式時，可按帶有斜腹桿的格構柱形式進行計算”，但此條例在實際工程應用中，不便于計算應用。

本文通過對盤扣式鋼管獨立支撐塔架承載力和穩定性的計 算,分析不同水平桿步距、立桿間距、架體高度等的影響,研究高寬比超限情況下立桿計算長度的實用設計方法,促進盤扣式鋼管獨立支撐塔架在工程中推廣應用。

1 計算模型建立

以某實際工程為例，通過采用Midas結構設計有限元分析軟件，建立模型進行分析。立桿、橫桿、斜桿計算模型均采用桿單元，各桿節點采用半剛性節點建模。根據(JGJ231-2010)規范條文說明，盤扣式鋼管支架水平桿與立桿連接節點具有一定的抗扭轉能力，其抗扭轉剛度可取8.6×107 N·mm/rad。

計算荷載方面：施工升降機安裝高度約96 m、基礎尺寸6.2 m×3.8 m×0.3 m。不考慮地下室頂板結構自身承載力，施工升降機自重設計值494.928 kN、基礎荷載設計值212.040 kN，兩者合計706.968 kN。盤扣式鋼管水平桿步距以500 mm為模數構成，立桿間距以300 mm為模數構成。盤扣式鋼管獨立支撐架鋼管外徑48 mm、鋼管壁厚3.2 mm，立桿間距600 mm、水平桿步距1000 mm，獨立支撐塔架平面尺寸1.8 m×1.8 m、架體高度8.9 m，獨立支撐塔架架體高寬比4.944，超過規范限值，將臨時加固獨立支撐塔架頂部荷載等效均布至每根立桿，集中荷載14.428 kN。

2 計算分析結果

2.1 水平桿步距不同的影響

水平桿步距不同時，結構的屈曲模態和立桿承載力的計算結果如表1～表2所示。由表1可見，隨著水平桿步距的增大，一階屈曲特征值逐漸減小，但當步距減小時，結構的低階屈曲模態分布更加密集。由表2可見，隨步距減小立桿承載力提高，當步距由1500減小到500時,立桿承載力由53.37 kN增大至85.75 kN,增大了61%。

表1 不同步距支撐架的屈曲模態與屈曲特征值

表2 不同步距支撐架的立桿承載力與計算長度系數

2.2 立桿間距(跨數)不同的影響

當架體平面尺寸為1800 mm×1800 mm，架體高寬比不變，立桿間距不同時，架體的屈曲模態如表3所示。結構屈曲特征值與立桿承載力如表4所示，立桿承載力隨立桿間距增大呈減小趨勢。由此說明在高寬比不變的情況下，立桿間距增大而跨數減小時，結構整體剛度下降，立桿承載力減小，且承載力隨立桿跨數的線性減小呈更大的減小趨勢。立桿跨數由6減小3再至2時,立桿承載力由72.01 kN減小至66.91 kN,進而至62.42 kN,分別降低了7.1%和8.2%;立桿跨數影響雖不及水平桿步距的影響,但應保證至少3跨的立桿跨數,不至立桿承載力降低過多。

表3 不同立桿間距支撐架的屈曲模態與屈曲特征值

表4 不同立桿間距支撐架的立桿承載力與計算長度系數

2.3 架體高度(高寬比)不同的影響

當架體尺寸為1800 mm×1800 mm，架體高度增大，架體高寬增大時，架體的屈曲模態如表5所示。隨著架體高度的增大，結構一階屈曲特征值減小，屈曲變形最大位置均處于架體中部偏下位置。立桿承載力變化如表6所示，隨著架體高度和高寬比的線性增大，立桿承載力呈更大的減小趨勢。高寬比由3.278增大至6.611時,立桿承載力由72.8 kN降低至62.4 kN,減小16.7%。

表5 不同高度支撐架的屈曲模態與屈曲特征值

表6 不同高度支撐架的立桿承載力與計算長度系數

2.4 架體平面尺寸不同的影響

不同平面尺寸架體的一階屈曲模態與屈曲特征值如表7所示。在保證架體高度不變的條件下，隨著平面尺寸增大，高寬比減小，一階屈曲特征值不斷增大。當架體平面尺寸增大，立桿的變形整體性逐步降低，中部立桿的變形大于外圍立桿。不同平面尺寸架體在立桿承載力如表8所示，隨著架體立桿跨數的增多，高寬比減小，架體整體剛度增大，立桿承載力增大幅度隨架體平面尺寸增大而增大。架體高寬比由7.4減小至3.7時,單桿承載力由48.8 kN提高到91.6 kN,提高了87.7%。

表7 不同立桿跨數支撐架的屈曲模態與屈曲特征值

表8 不同立桿跨數支撐架的立桿承載力與計算長度系數

2.5 水平斜桿不同的影響

架體水平斜桿不同布置情況下的屈曲模態與立桿承載力，如表9所示～表10所示。可見，水平斜桿的設置情況不同，會影響架體的屈曲變形形態，兩步設一道和滿步設置對屈曲特征值變化很小。不同水平斜桿設置情況下，立桿承載力變化較大，滿布水平斜桿時的立桿承載力，比不布置水平撐時提升24.5%。

表9 不同水平撐設置支撐架的屈曲模態與屈曲特征值

表10 不同水平撐設置支撐架的立桿承載力與計算長度系數

2.6 豎向斜桿不同的影響

架體豎向斜桿不同布置時，立桿承載力如表11所示。可見，隨著豎向斜桿的設置和布置形式調整、加密，架體的屈曲特征值與立桿承載力呈增大趨勢。各跨布置斜桿與不布置斜桿兩種情況的立桿承載力，分別為64.34 kN和39.2 kN,相差約64%。各跨布置斜桿的架體立桿承載力64.34 kN,大于隔步布置架體的立桿承載力53.92 kN,原因在于隔步布置斜桿時，架體出現了相對薄弱層。而滿布斜桿時,立桿承載力較各跨布置斜桿僅提高約4%,故豎向斜桿宜各跨布置。

表11 不同斜桿設置支撐架的立桿承載力與計算長度系數

3 立桿計算長度系數取值[3-6]

根據上述計算結果，可發現水平桿步距、架體高寬比和豎向斜桿的設置，是影響立桿承載力的主要因素。參考《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規范》(JGJ231-2010)第5.3.2條規定，建議盤扣式高寬比超限支撐架的立桿計算長度公式取式(1)：

l0=kηh

(1)

式中：η——立桿計算長度修正系數；

k——立桿計算長度附加系數，考慮架體初始缺陷的影響，參考JGJ130-2011[2]的規定，按表12取用；

h——支架立桿中間層水平桿最大豎向步距(m)；

根據計算結果，通過多項式回歸得到擬合公式如式(2)～式(4)所示，式中x為架體高寬比。

0.5m步距：η=-0.0048x2+0.1241x+1.9216

(2)

1.0m步距：η=-0.0031x2+0.0793x+1.2272

(3)

1.5m步距：η=-0.0022x2+0.0578x+0.8955

(4)

參考《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ130-2011)關于附加長度系數的規定：將式(2)～(4)所得計算結果乘以表12所示的立桿附加長度系數后，得到盤扣式獨立塔架立桿計算長度系數，如表13所示。

表12 立桿計算長度附加系數[2]

表13 承插盤扣式重載支撐架體系立桿計算長度

續表

4 結論

(1)根據承插盤扣式塔架高支撐架體的架體形式、節點特性和受力工況建立有限元模型，對比分析不同架體布設形式情況下，結構的屈曲模態與立桿承載力，給出了盤扣式獨立支撐架立桿計算長度的建議取值。

(2)隨著水平桿步距的減小、立桿跨數的增加或架體高寬比的減小，架體立桿承載力提高；滿布水平斜桿的立桿承載力可比無斜桿高約25%。設置豎向斜桿，能顯著提高立桿承載力，而斜桿布設形式對承載力影響不大。

(3)盤扣式獨立塔架建議構造措施為：架體高寬比應盡可能減小，立桿跨數不應小于3跨，且架體兩向布置宜對稱為正方形；必須設置豎向斜桿，且宜各跨布置，宜滿布設置水平斜桿；在工作面允許的情況下宜設置側向斜拋撐，斜拋撐宜設置在架體中部位置。