基于Abaqus高支模墻柱支撐系統優化設計

張金山/ZHANG Jin-shan

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

在結構層高較大的混凝土工程施工中，高支模技術是使用較多的一種支撐系統。如地下軌道地鐵站工程，因層高較大，高支模技術應用非常普及。高支模指搭設高度5m 及以上或搭設跨度10m 及以上或施工總荷載10kN/m2及以上或集中線荷載15kN/m 及以上或高度大于支撐水平投影寬度且相對獨立無聯系構件的混凝土模板支撐工程的總稱。由于高支模是一種時變結構，它很容易造成整體或局部的失穩，嚴重時可能會造成整個高支模系統的失穩，從而造成大量的事故。在高支模設計的最初，可能會存在局部結構分布不夠規范，部分支架分布間距可能合理但不夠經濟。關于高支模系統的設計，目前主要采用結構力學基本方法簡化后，通過施工管理軟件進行計算，構件初選多靠經驗預設后校核計算，一般不進行方案對比等過程，可能會造成一定的浪費。

本文以深圳軌道交通某地鐵站為研究對象，基于Abaqus 有限元分析軟件，通過快速建模，在滿足規范規定的結構強度、剛度和穩定性的條件下，以經濟性評價為目的，對高支模墻柱支撐系統進行優化。

1 工程概況

深圳某地鐵車站為地下二層式結構，站臺寬11.0m，有效站臺長度140m。標準段結構形式為地下二層單柱雙跨鋼筋混凝土框架結構，站后設交叉渡線。車站頂板覆土厚度約3.0～3.4m，車站主體結構為單柱雙層雙跨混凝土結構。車站側墻厚0.7m，模板采用18mm 厚的膠合板，內楞100mm×100mm 木方豎向布置，間距200mm，外楞?48.3×3.6 雙鋼管水向布置，上下間距初步設計為800m，整體對稱布置。

高支模模板系統包括柱模板、板模板、梁模板、側墻模板、剪刀撐以及頂托、扣件等，本文主要針對墻柱模板支撐系統開展研究。本工程共兩層，支撐系統相互獨立，文中選用較高一層的墻柱支撐系統進行設計優化。由于墻柱一面緊靠隧道，故模板支撐系統只做一面設計。

2 模型構建

2.1 數值模型構建

墻柱支撐系統采用鋼管扣件式腳手架，整個墻面布置，主要由?48.3×3.6 的扣件式鋼管、面板、方木、剪刀撐等結構構成。在Abaqus 有限元軟件分析中，交叉鋼管之間連接的方式為旋轉扣件，建模時設為鉸接，鋼管與地面的約束為鉸接。單元類型采用曲面殼單元S4R（4 節點四邊形有限薄膜應變線性縮減積分殼單元），鋼材本構模型采用兩折線彈塑性應力-應變曲線。支撐體系有限元模型見圖1。

圖1 墻柱支撐系統有限元模型圖

2.2 支撐體系材料屬性

支撐體系骨架均采用?48.3×3.6 的扣件式鋼管，材料為Q235 鋼，材料屬性如表1 所示。

表1 支撐系統材料屬性表

2.3 支撐體系模型加載

支撐體系所受荷載直接作用在模型的側面板上，荷載類型及組合方式根據JGJ 162-2008《建筑施工模板安全技術規范》、JGJ 130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》及GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》等相關規范規定的方式計算并按實際情況組合。加載后應力如圖2 和圖3 所示。

圖2 墻模板局部應力云圖

圖3 墻模板局部應變云圖

2.4 模型的合理性驗證

為驗證本文建立的有限元計算模型的準確性及適用性，對墻體支撐系統主梁（支撐方木的鋼管，計算時截面取48.3mm×3.0mm）在組合荷載下彎矩進行計算。主梁截面抵抗矩W為4.49cm3，主梁彈性模量E為206000N/mm2，主梁截面慣性矩I為10.78cm4，主梁計算方式簡化為為四等跨連續梁，主梁為兩根。立桿間距及大梁間距均為700mm。

按傳統結構力學簡化方法計算，截面最大正應力σ=Mmax/W=83.96N/mm2。同樣條件下，按Abaqus 有限元模型計算得出截面最大正應力σ=84.69N/mm2，誤差小于2%，模型基本合理。

3 結構分析與優化

3.1 優化設計目標和變量

鋼管的搭設間距直接與支撐體系強度、剛度及用鋼量的大小相關。分析中以保證結構體系在滿足規范允許的承載及變形能力條件下，用鋼量最少為基本目標。調整的變量為支撐體系中的鋼管的橫向和縱向的間距，最終確定一個滿足規范要求的合理骨架間距。

3.2 墻體支撐系統主梁跨度的優化

墻體支撐系統優化包括大梁跨度優化、大梁間距優化、斜撐布置優化等，這里僅以主梁跨度為例說明優化過程。通過有限元分析，分別計算可得出在不同的跨度下，結構的最大正應力σ，最大切應力τ，以及豎向撓度v，其中最大正應力變化情況見圖4 所示。

圖4 主梁不同間距最大應力值比較

從圖4 可以看出，最大正應力σ均小于抗彎強度設計值205N/mm2。同時計算側向撓度均小于允許撓度。當主梁的跨度從700mm 增加到820mm 時，最大正應力和最大切應力值都呈增長趨勢，且增幅先小后大；同樣，豎向撓度隨著主梁跨度的增大，撓度越來越接近允許撓度，并且增幅逐漸增大。由于墻體模板一段為懸挑構建，主梁間距一般不宜超過800mm。結合以上分析，懸挑式墻體支撐系統主梁跨度宜取800mm，基本滿足規范及經濟性要求。其他參數的優化過程方法類似。

3.3 獨立柱支撐系統立桿間距的優化

柱支撐系統優化包含柱箍間距優化、立桿間距優化、對拉螺栓優化、斜撐布置優化等，這里僅以立桿間距跨度為例說明優化過程。由工程經驗，立桿間距依次遞增，分別取值700mm、750mm、800mm、850mm、900mm、950mm 進行分析。通過有限元分析，分別計算可得出在不同間距時，結構的最大正應力σ，最大切應力τ，以及豎向撓度υ，其中最大正應力變化情況如表2所示。

表2 立桿不同間距下參數

由表2 可以看出，立桿不同間距下的正應力強度均小于抗壓強度設計值205N/mm2，且長細比均小于許用長細比[λ]=210。此外，當立桿的間距由700mm 逐漸增大到950mm 時，正應力強度和長細比也呈現遞增趨勢。根據JGJ 130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》相關要求，結合柱的工程施工經驗，立桿間距最大不宜超過900mm，基本滿足規范及經濟性要求。其他參數的優化過程方法類似。

4 結語

通過有限元軟件Abaqus，建立了高支模墻柱支撐系統有限元模型，以某地鐵站高支模為例，對不同支撐桿件參數進行了優化設計，得到如下結論。

1）通過有限元方法可簡化計算過程，相比目前常用的結構力學簡化計算方法，計算速度快，效率高。

2）經過優化設計，常規地鐵站站臺墻柱模板支撐體系中，在不考慮參數之間相互耦合的情況下，可能明確得出每種參數在滿足規范要求的前提下最經濟合理數據。可為類似工程施工設計提供一定參考。