斜坡面可調滿堂支架受力穩定性分析

摘 要：當滿堂支架搭設基礎面傾斜角度較大時，桿件立桿難度隨之增加，滿堂支架整體穩定性也會受到影響。由于本工程在現澆箱梁滿堂支架搭設過程中，須將滿堂支架搭設于5%坡度的基礎面上，因此，本工程研發了一種可調式滿堂支架立桿底座，可滿足滿堂支架在不同傾斜角度基礎面上進行搭設施工的需求。并利用Midas Civil分析軟件對斜坡面滿堂支架進行穩定性分析，在1.5倍安全系數下，滿堂支架各桿件結構安全儲備系數均滿足穩定性要求，結構失穩破壞臨界荷載遠大于施工工況荷載。

關鍵詞：橋梁工程；斜坡面滿堂支架；可調式支架底座；穩定性分析；有限元分析

中圖分類號：TU 74" " 文獻標志碼：A

隨著社會的發展，立體式交通組織建設日漸普遍，大型市政項目在結構設計上往往存在空間重疊的情況，在施工過程中常常會遇到需要在斜坡面上搭設滿堂支架的問題，為提高架體結構穩定性，達到施工過程中降本增效的目的。本文對盤扣式滿堂支架進行穩定性理論分析，以西咸新區空港新城某高架現澆箱梁滿堂支架施工為背景，對搭設于斜坡面的盤扣式滿堂支架體系進行結構穩定性驗算，利用有限元數值模擬軟件建立盤扣式滿堂支架有限元模型，將實際工程與有限元模擬相結合，分析搭設于斜坡面上的滿堂支架體系的穩定性。

1 結構失穩破壞形式分析

鋼管滿堂支架通常按照載能力極限狀態和正常使用極限狀態兩種狀態進行設計，承載能力極限狀態是一種因構件強度破壞、疲勞破壞或大變形造成結構失穩，發生傾覆的狀態；正常使用極限狀態是一種結構或構件發生正常使用情況下的變形，產生影響正常使用的振動，發生影響耐久性能局部損壞的狀態[1]。鋼管受荷載作用影響是否失穩會直接決定滿堂支架是否會發生失穩破壞。因此研究穩定破壞問題的核心是研究結構超過正常使用極限，變形急劇增長的臨界狀態。

1.1 分叉點失穩

當鋼管桿件軸向荷載P增至Pcr時，如圖1（a）所示，鋼管會完全變形，且無法再恢復至直線平衡狀態，即屈曲[1]。隨著軸向荷載P增加，尤其當荷載值達到A點時，桿件的平衡狀態有兩條路徑，如圖1（b）所示，向上的虛直線段AC，以及水平線段AB（AB'），很明顯A點是兩種平衡狀態的分支點。分支點失穩包括穩定分支點失穩和不穩定失穩兩種組成形式。在屈曲后，當荷載值達到A點時，如果桿件的平衡路徑是水平線段AB或AB'，那么這是穩定的平衡狀態，稱為穩定分支點失穩。在發生分支點失穩后，若想維持結構或桿件的平衡狀態，則荷載值要遠小于臨界荷載，這種失穩為不穩定分支失穩[2]。

1.2 極值點失穩

當鋼管桿件發生如圖1（c）所示的偏距為e的偏心受壓情況時，桿件開始受壓至失穩的壓力-撓度曲線（P-?曲線）如圖1（d）所示。壓力-撓度曲線分為上升段OA和下降段AB兩端曲線，其中A為分界點。當軸向荷載不斷增加，曲線呈上升趨勢，且由于偏心撓度不斷變大，曲線段上升接近直線形式，此時構件處于穩定平衡狀態。A為曲線分界點，過A點后曲線由上升變為下降，此時桿件內力開始小于外荷載，為維持構件受力平衡，須降低構件承受荷載P值。在曲線OB中，A點表示力的大小，即為構件極限承載力，構件從A點開始喪失穩定性，在偏心受壓結構的荷載-位移曲線中，僅存在極值點，不存在初始線性平衡狀態到彎曲平衡狀態的過渡，在此過程中，構件彎曲變形特性保持不變，將具有這種特性的失穩現象稱為極值點失穩[3]。

2 支架底座受力穩定性分析

2.1 斜坡面可調滿堂支架設計

本工程滿堂支架主要采用盤扣式滿堂支架體系，由硬化基礎、立桿可調底托、?60mm×3.2mm調節立桿、?60mm×3.2mm盤扣立桿、?48mm×2.75mm橫桿、?42mm×2.75mm斜拉桿及?48mm×2.5mm扣件鋼管水平剪刀撐、立桿可調頂托、I12工字鋼橫向分配梁、8cm×8cm木方縱向分配梁、15mm竹膠板面板等構成。同時，由于支架是用于斜坡面上的，因此為提高鋼管支架的適用性，同時降低支架搭設難度，要對支架底部承托進行創新研發，形成一種可調底座，其結構如圖2所示。將調節底座固定在鋼管滿堂支架下端，根據立桿布置形式將調節支座設置為若干個，分別與滿堂架底部連接，可通過調整調節柱與托架底部的夾角角度來調整每個調節支座貼合斜面的傾角及高度，使調節柱與水平面垂直，帶動滿堂架底部形成滿足斜坡面的傾斜支撐面。

2.2 有限元仿真模擬

利用Midas Civil對斜坡面滿堂支架體系進行有限元建模分析，有限元模型工況荷載主要考慮豎向荷載影響，包括支架體系自重、箱梁梁體自重（均布荷載根據箱梁形式分布）、各種施工荷載。通過分析鋼管桿件的變形情況，支架整體的變形及應力分布情況、屈曲模態來確定斜坡面滿堂支架的穩定狀態[4]。本工程采用盤扣式滿堂支架進行高架橋梁現澆箱梁施工，支架整體長度27m，寬度20.1m，最大高度8.8m，且支架搭設于順橋向5%的斜坡上，施工安全系數取值為1.5。由于混凝土澆筑完成時是支架受荷載最大工況，因此為真實模擬施工工況下荷載分布，根據箱梁截面形式，模擬箱梁荷載分布，占比按照0.06∶0.06∶0.88（翼緣板∶腹板∶底板）施加。

2.2.1 斜坡面支架穩定性分析

在組合荷載作用下，盤扣式滿堂支架結構發生彈性變形，如圖3所示。由于滿堂支架搭設于斜坡面上，因此支架底部利用可調底座調節搭設坡度，使現澆滿堂支架大小里程位移變形量不一致，呈現坡上段沉降位移量大，坡下段沉降變形量小的分布趨勢，且通過分析結果得知，滿堂支架縱橫向位移變形量較小，對穩定性影響可忽略不計，支架整體豎向位移變形最嚴重位置均分布在箱梁底板位置，其中，坡上段最大位移約為18.41mm，坡下段最大位移約為15.06mm。參考規范中對模板支架的最大變形值規定，支架各部分變形值均滿足要求，穩定性達標。

圖4為斜坡面滿堂支架的應力分析。由圖4可知，當模擬受組合荷載作用時，盤扣式滿堂支架結構立桿主要承擔壓應力，水平桿承受拉應力作用。滿堂支架結構立桿所受最大壓應力位置在坡上段立桿底部，最大壓應力約為188.43MPa，立桿安全儲備系數約為1.83。水平桿所受最大壓應力為97.08MPa，位于坡上段箱梁底板荷載向下輻射區域的底層水平桿件交叉節點處，水平桿件的安全儲備系數約為2.42。由此可知，在考慮1.5倍加載系數的工況下，滿堂支架結構桿件最不利荷載處的穩定性安全儲備系數均能滿足施工要求。

2.2.2 極限承載穩定性分析

利用Midas Civil軟件進行線性屈曲分析，對每個施加的外部荷載P，都會求解出一個臨界荷載系數λ。當荷載增至某一特定值時，結構體系等效幾何剛度[Keq]=0，支架體系處于瀕臨失穩的狀態，此時的臨界荷載系數與外部荷載乘積即為支架體系的失穩臨界荷載[5]。在本項目施工工況下，對滿堂支架體系進行屈曲分析，得到斜坡面滿堂支架失穩形態（1階模態下），如圖5所示。斜坡面滿堂支架在1階模態下，立桿主要在X-Y方向發生位移及扭轉，順橋向布置的水平桿主要在Y方向發生位移及扭轉，橫橋向布置的水平桿主要發生Z向位移。由于剪刀撐是用來加固水平桿及立桿，受水平桿及立桿失穩變形影響，在剪刀撐連接節點處，發生較大Y向變形，最終使連接節點松動脫落，發生整體屈曲失穩。

斜坡面滿堂支架屈曲分析的目的是為了分析整體結構在自重Z及外部荷載P作用下的整體穩定性，結構失穩分析的結果不是惟一的單值解，而是無窮解，使屈曲分析可能得到多種失穩模態，從表1中可以看出在一階模態中，各荷載下的荷載臨界系數為2.3686420，是最小的。在一階模態下，結構最容易被激發造成失穩破壞。因此主要分析斜坡面滿堂支架結構的一階模態失穩形態及臨界系數變化，以確定支架的失穩臨界荷載Ncr，由分析可知：此設計形式下的斜坡面滿堂支架結構的失穩承載極限為現模擬施工工況荷載的2.37倍左右，結構滿足抵抗屈曲失穩的要求。

3 結論

本文針對現澆箱梁于斜坡面上搭設鋼管滿堂支架進行研發設計，成功研發了一種可適應搭設基礎面傾斜坡度的桿件底座，以滿足滿堂支架不同搭設傾斜坡度的工況要求。并利用Midas Civil對斜坡面滿堂支架進行穩定性分析：支架立桿安全儲備系數可達到1.83，水平桿安全儲備系數可達到2.42。在施工工況荷載下，斜坡面滿堂支架失穩破壞荷載臨界系數為2.37，均高于正常施工荷載工況下滿堂支架搭設施工要求的1.5倍穩定性安全系數。由此可知，斜坡面滿堂支架在應用可調式底座搭設支架后，整體穩定性滿足施工要求。

參考文獻

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[2]郭萌.初始缺陷對扣件式鋼管腳手架穩定性影響分析[D].西安：西安工業大學，2021.

[3]肖洪秀.盤扣式鋼管支架節點剛度及支架穩定性研究[D].昆明：昆明理工大學，2022.

[4]李世鑫，楊開放，孫春輝，等.現澆連續梁特大橋支架體系穩定性評價及預拱度設置分析[J].工業建筑，2023，53（增刊1）：186-192.

[5]熊咸玉，戴俊.大跨度現澆連續箱梁滿堂支架結構穩定性分析及評價[J].西安科技大學學報，2020，40（2）：268-274.