超厚底板圓管截面臨時(shí)支撐標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計(jì)

李天嬌， 尹 飛， 張 晗， 王化杰， 錢宏亮

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)土木工程系，山東威海 264209)

隨著城市化進(jìn)程的加快和土地資源的緊缺，超高層建筑成為建設(shè)的重點(diǎn)。超厚底板既是超高層建筑基礎(chǔ)的主要部分，也是其結(jié)構(gòu)構(gòu)造的重點(diǎn)部位，這對(duì)超厚底板臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求[1]。

圓管截面臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)的扣件式腳手架相同，工程應(yīng)用較多，技術(shù)相對(duì)成熟[2]，但其所用圓管一般取自施工現(xiàn)場(chǎng)，多為重復(fù)使用過(guò)的桿件，初始彎曲不可忽視。此外幾何尺寸、支撐布置形式等也會(huì)對(duì)臨時(shí)支撐的力學(xué)性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，需要對(duì)該類臨時(shí)支撐體系進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文以圓管截面超厚底板臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)取自施工現(xiàn)場(chǎng)的圓鋼管初始彎曲進(jìn)行測(cè)量與統(tǒng)計(jì)，利用有限元軟件分析初始彎曲對(duì)桿件軸壓穩(wěn)定性的影響；結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，給出了圓管截面臨時(shí)支撐標(biāo)準(zhǔn)體系的設(shè)計(jì)方案和兩種雙榀斜撐布置方案，并通過(guò)有限元分析驗(yàn)證兩種斜撐布置方案的穩(wěn)定性，為其進(jìn)一步研究提供了參考。

1 圓管截面臨時(shí)支撐體系模擬分析

1.1 圓管初始彎曲測(cè)量與統(tǒng)計(jì)

在圓管截面臨時(shí)支撐體系中，所用圓鋼管桿件的初彎曲缺陷是影響整體結(jié)構(gòu)承載力的重要因素，需要對(duì)其初始彎曲值進(jìn)行調(diào)研。圓管試件的初彎曲測(cè)量裝置如圖1所示，所需設(shè)備為鋼化玻璃平板和高精度激光位移計(jì)。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圓鋼管初彎曲測(cè)量裝置

測(cè)量時(shí)將試件兩端平穩(wěn)安放于支座上，試件縱軸與標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)縱軸平行，使激光測(cè)距儀在目標(biāo)測(cè)線下方緩慢勻速移動(dòng)，直到測(cè)完圖2所示4條測(cè)線上的所有測(cè)點(diǎn)，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)與激光測(cè)距儀零點(diǎn)的距離，由式(1)可以計(jì)算得到試件各測(cè)點(diǎn)初始彎曲的理論值(圖3)。

Δi=[hi-h0-(hm-h0)i/m]

(1)

圖2 圓鋼管初始彎曲測(cè)量示意

圖3 圓鋼管初始彎曲計(jì)算示意

為了獲得鋼管臨時(shí)支撐桿件初彎曲的實(shí)際分布情況，在示范工程施工現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)選取20根圓鋼管進(jìn)行測(cè)量，剔除桿件自重?fù)隙鹊挠绊?，由AC和BD方向的初彎曲值計(jì)算得到最大初彎曲，無(wú)量綱化處理得到初彎曲率。統(tǒng)計(jì)全部試件數(shù)據(jù)，最終得到圖4所示圓管初彎曲最大值的概率模型。

圖4 圓鋼管試件初始彎曲統(tǒng)計(jì)

由圖4可以看出，圓鋼管最大初彎曲幅值為6.3 ‰，90 %圓鋼管初彎曲幅值超過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中1 ‰的初彎曲考慮值，初彎曲幅值95 %保證率的取值為6.2 ‰，與設(shè)計(jì)規(guī)范的1 ‰假定差別較大，因此在此類型臨時(shí)支撐的模擬分析及設(shè)計(jì)中有必要考慮實(shí)際初始彎曲的影響。

1.2 圓管支撐軸壓穩(wěn)定性分析

為了確定圓鋼管桿件初彎曲對(duì)其軸壓穩(wěn)定承載力的影響，采用實(shí)際工程超厚底板臨時(shí)支撐常用桿件規(guī)格，圓鋼管長(zhǎng)度為3.3m，截面尺寸為φ84×3mm。分別對(duì)該種桿件添加0.2 ‰初彎曲(理想桿件)、1 ‰初彎曲(規(guī)范取值)和實(shí)測(cè)初彎曲，利用ANSYS進(jìn)行有限元分析，兩端鉸接圓管桿件的Mises應(yīng)力云圖如圖5所示，弱軸方向初彎曲荷載位移曲線和穩(wěn)定承載力分別如圖6、圖7所示。

(a) 理想支撐應(yīng)力云圖

(b) 1‰初彎曲應(yīng)力云圖

(c) 6.2‰初彎曲應(yīng)力云圖圖5 鉸接圓管的Mises應(yīng)力云圖

圖6 鉸接圓管荷載位移曲線

圖7 圓管桿件穩(wěn)定承載力

2 臨時(shí)支撐標(biāo)準(zhǔn)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

由圖5可以看出，支撐失穩(wěn)破壞時(shí)桿件截面邊緣均達(dá)到屈服應(yīng)力。由圖6、圖7可以看出，采用規(guī)范計(jì)算方法得到的承載力為94.8kN，略小于ANSYS計(jì)算結(jié)果97.8kN，誤差在3 %以內(nèi)；相比于理想桿件承載力110.2kN，添加規(guī)范規(guī)定1 ‰桿件初彎曲承載力下降11.3 %，添加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)6.2 ‰桿件初彎曲承載力下降43.2 %。因此對(duì)圓管截面支撐的穩(wěn)定承載力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際桿件初彎曲的影響，建議構(gòu)件軸壓穩(wěn)定系數(shù)φ乘以0.568的折減系數(shù)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了更好地為不同高度超厚底板臨時(shí)支撐提供技術(shù)參考，根據(jù)斜撐布設(shè)形式的不同，設(shè)計(jì)了十字型和井字型兩種不同臨時(shí)支撐布設(shè)方案(圖8、圖9)。并根據(jù)有限元分析結(jié)果，考慮實(shí)際初彎曲影響后，采用規(guī)范方法對(duì)不同高度的超厚底板圓管截面支撐體系構(gòu)件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出不同高度時(shí)十字型和井字型兩種斜撐布置體系構(gòu)件截面信息，如表1所示。

2.2 臨時(shí)支撐體系方案整體穩(wěn)定性驗(yàn)算分析

水平荷載往往是影響臨時(shí)支撐體系穩(wěn)定性的重要因素，為了考察所設(shè)計(jì)的臨時(shí)支撐體系在水平荷載下的整體穩(wěn)定性能，建立了可以考慮構(gòu)件實(shí)際初彎曲的兩種體系方案有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算分析。圖10為兩種方案在水平荷載作用下的變形云圖，可以看出，十字型和井字型雙榀斜撐模型在水平施工荷載作用下最大節(jié)點(diǎn)位移分別為7.7mm和5.6mm，模型整體穩(wěn)定性較好，不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。

圖11為兩種方案模型的荷載位移曲線，可以看出，井字型布置斜撐的框架和十字型布置斜撐的框架承受最大水平力分別為350.2kN和221.2kN，兩種模型均在頂部橫梁偏移20mm左右發(fā)生水平抗側(cè)移剛度下滑。井字型斜撐框架水平抗側(cè)移剛度明顯優(yōu)于十字型斜撐框架水平抗側(cè)移剛度，但二者均可滿足安全要求，均可作為高層結(jié)構(gòu)超厚底板施工臨時(shí)支撐的備選方案。

表1 不同高度圓管截面臨時(shí)支撐體系設(shè)計(jì)建議值

(a) 軸測(cè)

(b) 剖面

(a) 軸測(cè)

(b) 剖面

(a) 雙榀斜撐十字型布置框架變形

(b) 雙榀斜撐井字型布置框架變形

3 結(jié)論

本文針對(duì)圓管截面超厚底板臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

(1)提供了圓鋼管桿件初始彎曲測(cè)量方法，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到95 %保證率的圓管初彎曲幅值為6.2 ‰，這與設(shè)計(jì)規(guī)范的1 ‰假定差別較大，因此在此類型臨時(shí)支撐的模擬分析及設(shè)計(jì)中有必要考慮實(shí)際初始彎曲的影響。

(2)通過(guò)有限元模擬分析，探究了桿件初始彎曲對(duì)其軸壓穩(wěn)定性的影響，并得到了考慮初始彎曲影響的穩(wěn)定承載力折減系數(shù)。

圖11 臨時(shí)支撐水平荷載位移曲線

(3)設(shè)計(jì)了十字型和井字型兩種雙榀斜撐布置方案，并在考慮實(shí)際初彎曲幅值影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范方法給出了圓管截面臨時(shí)支撐標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)件的設(shè)計(jì)建議，并通過(guò)模擬驗(yàn)證兩種斜撐布置體系在水平荷載作用下的穩(wěn)定性能，為其工程應(yīng)用提供參考。