承插型盤(pán)扣式鋼管模板支架極限性能分析

摘 要：針對(duì)在公路現(xiàn)澆箱梁施工中，選用承插型盤(pán)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(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行極限承載力和穩(wěn)定性研究。以具體公路建設(shè)項(xiàng)目為例，建立公路現(xiàn)澆箱梁承插型盤(pán)扣式鋼管模板支架模型，計(jì)算立桿承載力，研究穩(wěn)定性，對(duì)支架力學(xué)性能進(jìn)行建模與分析。在此基礎(chǔ)上，分析節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)支架極限承載力、穩(wěn)定性影響和支架桿件布置對(duì)極限承載力、穩(wěn)定性影響。根據(jù)得到的分析結(jié)果，對(duì)承插型盤(pán)扣式鋼管模板支架結(jié)構(gòu)進(jìn)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(wèn)題。

關(guān)鍵詞：公路現(xiàn)澆箱梁；承插型；盤(pán)扣式；鋼管模板

中圖分類(lèi)號(hào)：U 41 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

承插式盤(pán)扣模板支架具有應(yīng)用面大和適用范圍廣等特點(diǎn)，在不受場(chǎng)地、地貌影響的情況下，在坡地和梯地等地勢(shì)環(huán)境中，只要選取適當(dāng)?shù)呐_(tái)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(xiàng)目的施工要求，搭建各種形式和功能的臨時(shí)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(qiáng)度大、穩(wěn)定性高的盤(pán)扣式系列進(jìn)行支架設(shè)計(jì)[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(diǎn)，當(dāng)現(xiàn)澆箱梁高度＜20m時(shí)，采用滿堂支架的施工方式經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)，當(dāng)現(xiàn)澆箱梁高度＞20m時(shí)，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(jì)性[2]。在大型、復(fù)雜的施工項(xiàng)目中，盤(pán)扣式腳手架正在逐漸取代碗扣式支架，已成為目前市場(chǎng)上的主要支撐系統(tǒng)。在工程項(xiàng)目中，為發(fā)揮盤(pán)扣式支架更高的價(jià)值，本文將在研究中，以某公路項(xiàng)目為例，對(duì)支架結(jié)構(gòu)在極限條件下的穩(wěn)定性和承載力進(jìn)行研究。

1 項(xiàng)目實(shí)例

以某個(gè)正在施工的公路項(xiàng)目為例，此公路為高速公路項(xiàng)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(duì)較高，工程項(xiàng)目直線段的橋梁部分采用“T”形簡(jiǎn)支梁進(jìn)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(kuò)大趨勢(shì)且匝道斷面呈現(xiàn)曲線，因此，在工程現(xiàn)場(chǎng)，只能采用支架現(xiàn)澆的方式進(jìn)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(duì)象，對(duì)施工中支架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)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(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，對(duì)研究段的基本情況進(jìn)行分析，見(jiàn)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(jìn)行施工。當(dāng)澆筑時(shí)，當(dāng)腹板與底板強(qiáng)度超過(guò)70%時(shí)，對(duì)頂板進(jìn)行施工。過(guò)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(pán)扣式鋼管模板支架模型

為更直觀地對(duì)支架力學(xué)性能進(jìn)行分析，使用MIDAS/Civi1軟件，構(gòu)建模板支架模型。在此過(guò)程中，應(yīng)明確MIDAS/Civi1軟件是一種通用性較強(qiáng)、適用范圍較廣的有限元軟件。與ANSYS這類(lèi)FED軟件相比，MIDAS/Civi1軟件的人機(jī)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(xiàng)目擬采用MIDAS/Civi1軟件，將一步距離內(nèi)的兩根豎桿作為一個(gè)單元，將節(jié)點(diǎn)間的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建鋼管模板支架模型。

建模過(guò)程包括選擇單元→生成本構(gòu)模型→設(shè)置邊界條件→設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

參照上述方式，設(shè)置邊界條件和鉸接約束方式，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束[6]。同時(shí)，根據(jù)支架施工中的技術(shù)規(guī)范與混凝土自重，對(duì)模型中相關(guān)參數(shù)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成上述相關(guān)內(nèi)容與參數(shù)設(shè)計(jì)后，點(diǎn)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(jì)算

根據(jù)有限元模型的設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算立桿軸力設(shè)計(jì)值，當(dāng)忽略施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)荷載時(shí)，計(jì)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(chǎng)風(fēng)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(jì)算考慮施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)荷載時(shí)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(jì)算忽略施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)荷載和考慮施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)荷載時(shí)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(chǎng)風(fēng)荷載時(shí)的立桿結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)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(qiáng)，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(jì)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(chǎng)風(fēng)荷載時(shí)的立桿結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度；M為風(fēng)荷載產(chǎn)生的立桿彎矩；W為立桿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)細(xì)比。

參照上述方式，可以計(jì)算立桿承載力與穩(wěn)定性。

3 節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)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(pán)扣式鋼管模板支架為研究對(duì)象，向其施加的施工荷載取值設(shè)置為4.5kN/m2，將風(fēng)荷載設(shè)置為1.20kN/m2[7]?；炷翝裰剌d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(jiàn)表3。

結(jié)合公路現(xiàn)澆箱梁承插型盤(pán)扣式鋼管模板支架施工規(guī)范要求可知，盤(pán)扣節(jié)點(diǎn)位置上的抗彎剛度為40kN·m/rad和86kN·m/rad。對(duì)連接件在不同橫向拉力下的彎曲試驗(yàn)與有限元進(jìn)行仿真，計(jì)算當(dāng)節(jié)點(diǎn)彎矩未超過(guò)200N·m時(shí)，節(jié)點(diǎn)剛度的取值可控制在200kN·m/rad～30kN·m/rad。計(jì)算當(dāng)節(jié)點(diǎn)彎矩為200N·m～600N·m時(shí)，半剛性節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的取值可控制在9kN·m/rad～11kN·m/rad[8]。計(jì)算當(dāng)節(jié)點(diǎn)彎矩gt;600N·m時(shí)，半剛性節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的取值可控制在2kN·m/rad～

6kN·m/rad。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)結(jié)點(diǎn)彎矩gt;600N·m時(shí)，盤(pán)扣、插銷(xiāo)、鎖頭和豎桿等都已到達(dá)屈服，因此要把節(jié)點(diǎn)彎矩控制在600N·m以下。表4中記錄了不同的節(jié)點(diǎn)剛度條件下支架的最大應(yīng)力。

當(dāng)對(duì)承插型盤(pán)扣式鋼管模板支架在節(jié)點(diǎn)取半剛性剛度進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí)，支架上的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橫桿上。隨著節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(pán)扣式鋼管模板支架節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)支架的承載力有極大影響。當(dāng)立桿的軸力出現(xiàn)較大變形時(shí)，部分荷載能夠通過(guò)橫桿和節(jié)點(diǎn)將力傳遞到周?chē)牧U上。節(jié)點(diǎn)能起到較好分配立桿荷載的作用。隨著節(jié)點(diǎn)剛度的變化，分配荷載的能力也會(huì)發(fā)生改變。通常情況下，節(jié)點(diǎn)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(duì)極限承載力和穩(wěn)定性影響分析

為分析支架桿件布置對(duì)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(pán)扣式鋼管模板支架，對(duì)架體進(jìn)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(duì)支架架體底部進(jìn)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(diǎn)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(duì)極限承載力和穩(wěn)定性的影響。當(dāng)進(jìn)行屈曲分析時(shí)，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(duì)圖4中的4條折線變化進(jìn)行對(duì)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(shì)。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(dāng)豎向拉桿與拉桿間的距離為0.9m時(shí)，拉桿的極限承載力最大，當(dāng)拉桿與拉桿間的距離為1.8m時(shí)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(huì)導(dǎo)致框架失穩(wěn)。對(duì)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(duì)承插型盤(pán)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(zhǎng)量、斜桿位置以及橫桿步距均會(huì)對(duì)承插型盤(pán)扣式鋼管模板支架穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。橫桿步距對(duì)盤(pán)扣滿堂支架的穩(wěn)定性有很大影響，支架的臨界荷載會(huì)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(pán)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(pán)扣式鋼管模板支架的穩(wěn)定性將會(huì)得到提高。支架臨界荷載會(huì)隨著頂托伸長(zhǎng)量的減少呈現(xiàn)非線性增加，在承插型盤(pán)扣式鋼管模板支架施工的過(guò)程中，可以通過(guò)減少頂托伸長(zhǎng)量的方式，提高承插型盤(pán)扣式鋼管模板支架整體穩(wěn)定性。當(dāng)公路現(xiàn)澆箱梁施工時(shí)，為保證承插型盤(pán)扣式鋼管模板支架穩(wěn)定性，需要對(duì)上述各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)的施工中，支架作為一種臨時(shí)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(shí)約占總工時(shí)的50%。由于支架是一種臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，因此，在支架的建造過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)因工程師對(duì)其缺失關(guān)注度，導(dǎo)致支架部件的材質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)，從而造成施工現(xiàn)場(chǎng)管理混亂。國(guó)內(nèi)支架的計(jì)算理論與設(shè)計(jì)規(guī)范不完善，因此設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致大量的人員傷亡。經(jīng)過(guò)多年的創(chuàng)新和發(fā)展，目前市場(chǎng)內(nèi)已形成多種類(lèi)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(lèi)型支架在工程項(xiàng)目中潛在的缺陷也日益凸顯，為避免市場(chǎng)份額不斷縮小，發(fā)揮盤(pán)扣式支架的更高商業(yè)價(jià)值，本文進(jìn)行了研究。希望通過(guò)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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