承插型盤扣式鋼管模板支架極限性能分析

摘 要：針對在公路現(xiàn)澆箱梁施工中，選用承插型盤扣式鋼管模板支架結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致屈服破壞和屈曲失穩(wěn)破壞現(xiàn)象產(chǎn)生的問題，對其進行極限承載力和穩(wěn)定性研究。以具體公路建設(shè)項目為例，建立公路現(xiàn)澆箱梁承插型盤扣式鋼管模板支架模型，計算立桿承載力，研究穩(wěn)定性，對支架力學(xué)性能進行建模與分析。在此基礎(chǔ)上，分析節(jié)點剛度對支架極限承載力、穩(wěn)定性影響和支架桿件布置對極限承載力、穩(wěn)定性影響。根據(jù)得到的分析結(jié)果，對承插型盤扣式鋼管模板支架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化可以有效提高支架和箱梁整體的穩(wěn)定性，盡可能避免屈服破壞和屈服失穩(wěn)問題。

關(guān)鍵詞：公路現(xiàn)澆箱梁；承插型；盤扣式；鋼管模板

中圖分類號：U 41 " " " " 文獻標志碼：A

承插式盤扣模板支架具有應(yīng)用面大和適用范圍廣等特點，在不受場地、地貌影響的情況下，在坡地和梯地等地勢環(huán)境中，只要選取適當?shù)呐_階間距和底部支撐高度，就能使其與地形相適應(yīng)。因此，在應(yīng)用中，可以按照不同項目的施工要求，搭建各種形式和功能的臨時支承結(jié)構(gòu)。與其他大型建筑結(jié)構(gòu)的支架相比，現(xiàn)澆橋箱梁的支架承載力需求更高，施工高度也較高，因此，必須采用強度大、穩(wěn)定性高的盤扣式系列進行支架設(shè)計[1]。

現(xiàn)澆箱梁施工的成敗，直接影響整體結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性。在深入工程相關(guān)領(lǐng)域的研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)澆箱梁大多具有大跨度和高凈空等特點，當現(xiàn)澆箱梁高度＜20m時，采用滿堂支架的施工方式經(jīng)濟性更強，當現(xiàn)澆箱梁高度＞20m時，采用由支撐樁、貝雷梁和支座等組成的跨越式支架具有更好的經(jīng)濟性[2]。在大型、復(fù)雜的施工項目中，盤扣式腳手架正在逐漸取代碗扣式支架，已成為目前市場上的主要支撐系統(tǒng)。在工程項目中，為發(fā)揮盤扣式支架更高的價值，本文將在研究中，以某公路項目為例，對支架結(jié)構(gòu)在極限條件下的穩(wěn)定性和承載力進行研究。

1 項目實例

以某個正在施工的公路項目為例，此公路為高速公路項目，公路所在地的整體地形環(huán)境較為復(fù)雜，其中橋隧比例相對較高，工程項目直線段的橋梁部分采用“T”形簡支梁進行架設(shè)[3]。在施工中，考慮工程匝道位置的主橋梁斷面呈現(xiàn)擴大趨勢且匝道斷面呈現(xiàn)曲線，因此，在工程現(xiàn)場，只能采用支架現(xiàn)澆的方式進行施工[4]。

根據(jù)本文研究需求，將公路橋梁中的匝道作為研究對象，對施工中支架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行分析，在分析中，應(yīng)明確橋梁匝道為多跨的現(xiàn)澆混凝土簡支結(jié)構(gòu)，對研究段的基本情況進行分析，見表1。

匝道立面圖如圖1所示。

在此基礎(chǔ)上，考慮本文研究的公路現(xiàn)澆箱梁混凝土體積較大，因此，在施工后采用先澆筑腹板與底板、再澆筑頂板的方式進行施工。當澆筑時，當腹板與底板強度超過70%時，對頂板進行施工。過程如圖2所示。

2 支架力學(xué)性能建模分析

2.1 公路現(xiàn)澆箱梁承插型盤扣式鋼管模板支架模型

為更直觀地對支架力學(xué)性能進行分析，使用MIDAS/Civi1軟件，構(gòu)建模板支架模型。在此過程中，應(yīng)明確MIDAS/Civi1軟件是一種通用性較強、適用范圍較廣的有限元軟件。與ANSYS這類FED軟件相比，MIDAS/Civi1軟件的人機界面可以展示得更直觀，特別是軟件中的“激活”、“鈍化”和“消影”等指令，可以極大地提高空間多胞構(gòu)件的幾何造型效率[5]。因此，本項目擬采用MIDAS/Civi1軟件，將一步距離內(nèi)的兩根豎桿作為一個單元，將節(jié)點間的兩個節(jié)點作為一個節(jié)點，構(gòu)建鋼管模板支架模型。

建模過程包括選擇單元→生成本構(gòu)模型→設(shè)置邊界條件→設(shè)計荷載條件→操作界面生成有限元模型。其中本構(gòu)模型的設(shè)計參數(shù)見表2。

參照上述方式，設(shè)置邊界條件和鉸接約束方式，對結(jié)構(gòu)進行約束[6]。同時，根據(jù)支架施工中的技術(shù)規(guī)范與混凝土自重，對模型中相關(guān)參數(shù)條件進行設(shè)計，完成上述相關(guān)內(nèi)容與參數(shù)設(shè)計后，點擊界面生成按鍵，即可生成支架模型。

2.2 立桿承載力與穩(wěn)定性計算

根據(jù)有限元模型的設(shè)計參數(shù)，計算立桿軸力設(shè)計值，當忽略施工現(xiàn)場風荷載時，計算立桿結(jié)構(gòu)的承載力如公式（1）所示。

N1=1.2∑NGK+1.4∑NQK " " "（1）

式中：N1為忽略施工現(xiàn)場風荷載條件下的立桿結(jié)構(gòu)承載力；NGK為恒荷載作用下的軸向力總和值；NQK為活荷載作用下的軸向力總和值。

在此基礎(chǔ)上，計算考慮施工現(xiàn)場風荷載時的立桿結(jié)構(gòu)承載力值，如公式（2）所示。

N2=1.2∑NGK+0.9×1.4∑NQK " " （2）

根據(jù)上述公式，計算忽略施工現(xiàn)場風荷載和考慮施工現(xiàn)場風荷載時的立桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，如公式（3）、公式（4）所示。

（3）

（4）

式中：f1為忽略施工現(xiàn)場風荷載時的立桿結(jié)構(gòu)抗彎強度（用于描述立桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，f1越大，證明立桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強，f1越小，證明立桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越弱）；N為立桿軸向力設(shè)計值，kN；A為立桿截面有效面積，cm2；φ為立桿中心件在受壓條件下的穩(wěn)定性系數(shù)；f2為考慮施工現(xiàn)場風荷載時的立桿結(jié)構(gòu)抗彎強度；M為風荷載產(chǎn)生的立桿彎矩；W為立桿結(jié)構(gòu)長細比。

參照上述方式，可以計算立桿承載力與穩(wěn)定性。

3 節(jié)點剛度對支架極限承載力和穩(wěn)定性影響分析

以上述公路現(xiàn)澆箱梁承插型盤扣式鋼管模板支架為研究對象，向其施加的施工荷載取值設(shè)置為4.5kN/m2，將風荷載設(shè)置為1.20kN/m2[7]。混凝土濕重載荷為一跨箱梁的全質(zhì)量，現(xiàn)澆箱梁在墩頂、腹板、空箱位置以及變截面處，在不同位置的混凝土荷載有所不同，箱梁荷載見表3。

結(jié)合公路現(xiàn)澆箱梁承插型盤扣式鋼管模板支架施工規(guī)范要求可知，盤扣節(jié)點位置上的抗彎剛度為40kN·m/rad和86kN·m/rad。對連接件在不同橫向拉力下的彎曲試驗與有限元進行仿真，計算當節(jié)點彎矩未超過200N·m時，節(jié)點剛度的取值可控制在200kN·m/rad～30kN·m/rad。計算當節(jié)點彎矩為200N·m～600N·m時，半剛性節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度的取值可控制在9kN·m/rad～11kN·m/rad[8]。計算當節(jié)點彎矩gt;600N·m時，半剛性節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度的取值可控制在2kN·m/rad～

6kN·m/rad。在實際應(yīng)用中，當結(jié)點彎矩gt;600N·m時，盤扣、插銷、鎖頭和豎桿等都已到達屈服，因此要把節(jié)點彎矩控制在600N·m以下。表4中記錄了不同的節(jié)點剛度條件下支架的最大應(yīng)力。

當對承插型盤扣式鋼管模板支架在節(jié)點取半剛性剛度進行靜力計算時，支架上的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橫桿上。隨著節(jié)點位置上剛度不斷減少，支架的最大拉應(yīng)力逐漸增加。支架的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在立桿位置上，隨著節(jié)點剛度的不斷減少，支架的最大拉應(yīng)力也逐漸減少。結(jié)合上述分析得出，承插型盤扣式鋼管模板支架節(jié)點剛度對支架的承載力有極大影響。當立桿的軸力出現(xiàn)較大變形時，部分荷載能夠通過橫桿和節(jié)點將力傳遞到周圍的立桿上。節(jié)點能起到較好分配立桿荷載的作用。隨著節(jié)點剛度的變化，分配荷載的能力也會發(fā)生改變。通常情況下，節(jié)點剛度越小，分配荷載的能力越弱，支架立桿在軸向上產(chǎn)生的應(yīng)力越大；反之，同理。

4 支架桿件布置對極限承載力和穩(wěn)定性影響分析

為分析支架桿件布置對極限承載力和穩(wěn)定性影響，結(jié)合MIDAS，建立橫向、縱向立桿間隔距離相同的承插型盤扣式鋼管模板支架，對架體進行壓載仿真模擬。支架架體有限元模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

采用鉸接的方式對支架架體底部進行約束，在支架的立桿頂部，分別施加1kN的單位力。支架半剛性節(jié)點的剛度設(shè)置為20kN·m/rad。在遵循單一變量原則的條件下，研究支架桿件布置對極限承載力和穩(wěn)定性的影響。當進行屈曲分析時，選取10階屈曲失穩(wěn)模態(tài)的臨界荷載，并繪制不同立桿間隔距離條件下的架體失穩(wěn)臨界荷載變化曲線圖，如圖4所示。

對圖4中的4條折線變化進行對比分析，結(jié)果表明，在不同的立桿間隔距離條件下，隨著屈曲模態(tài)數(shù)目增加，臨界失穩(wěn)荷載呈現(xiàn)遞增的趨勢。隨著立桿間距增加，架體的失穩(wěn)臨界荷載逐步減少。結(jié)果表明，當豎向拉桿與拉桿間的距離為0.9m時，拉桿的極限承載力最大，當拉桿與拉桿間的距離為1.8m時承載力最小。結(jié)果表明，在豎桿間距為1.2m、1.5m的情況下，在0m與1.8m的位置上，荷載處于臨界范圍內(nèi)，會導(dǎo)致框架失穩(wěn)。對最易發(fā)生破壞的一階振型，隨著豎桿間距增加，框架的極限荷載的變化幅度基本不變。每0.3m，框架的極限荷載減少2kN～3kN。綜合分析結(jié)果，立桿間隔距離對承插型盤扣式鋼管模板支架的穩(wěn)定性影響很大，在大荷載作用下，可采用加拉筋的方法改善穩(wěn)定性。按照上述分析邏輯也可以證明，頂托的伸長量、斜桿位置以及橫桿步距均會對承插型盤扣式鋼管模板支架穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。橫桿步距對盤扣滿堂支架的穩(wěn)定性有很大影響，支架的臨界荷載會隨著立桿的間隔距離減少呈現(xiàn)非線性增加，減少橫桿步距可有效提高盤扣滿堂支架的穩(wěn)定性。增加斜桿的數(shù)量，相應(yīng)的承插型盤扣式鋼管模板支架的穩(wěn)定性將會得到提高。支架臨界荷載會隨著頂托伸長量的減少呈現(xiàn)非線性增加，在承插型盤扣式鋼管模板支架施工的過程中，可以通過減少頂托伸長量的方式，提高承插型盤扣式鋼管模板支架整體穩(wěn)定性。當公路現(xiàn)澆箱梁施工時，為保證承插型盤扣式鋼管模板支架穩(wěn)定性，需要對上述各項結(jié)構(gòu)參數(shù)進行合理設(shè)計。

5 結(jié)語

在現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)的施工中，支架作為一種臨時性支撐體系，成本約占現(xiàn)澆箱梁工程總成本的30%，其中安裝和拆除支架模板的工時約占總工時的50%。由于支架是一種臨時支撐結(jié)構(gòu)，因此，在支架的建造過程中，經(jīng)常會因工程師對其缺失關(guān)注度，導(dǎo)致支架部件的材質(zhì)不符合標準，從而造成施工現(xiàn)場管理混亂。國內(nèi)支架的計算理論與設(shè)計規(guī)范不完善，因此設(shè)計后的支架結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)倒塌事故，支架倒塌的危害性極大，一旦出現(xiàn)，會導(dǎo)致大量的人員傷亡。經(jīng)過多年的創(chuàng)新和發(fā)展，目前市場內(nèi)已形成多種類型、多種用途的現(xiàn)澆支架。然而，在工程施工中，腳手架技術(shù)革新迅速，使不同類型支架在工程項目中潛在的缺陷也日益凸顯，為避免市場份額不斷縮小，發(fā)揮盤扣式支架的更高商業(yè)價值，本文進行了研究。希望通過研究，能真正為支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與推廣提供技術(shù)層面的指導(dǎo)。

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